Caratterizzazione e analisi prestazionali del sistema di riscaldamento idronico su panca applicato alla Basilica di Santa Maria di Collemaggio

Facoltà di Architettura e Società

Laurea magistrale in Architettura|Progettazione Architettonica

LUCA PEGURRI

814937

Caratterizzazione e analisi prestazionali

del sistema di riscaldamento idronico su panca applicato

alla Basilica di Santa Maria di Collemaggio

Relatore: Prof. Niccolò Aste Correlatori: Ing. Michela Buzzetti Ing. Fabrizio Leonforte

INDICE

abstract

1. Introduzione

2. Stato dell’arte del riscaldamento degli edifici storici 2.1 Tipologie di riscaldamento e casi studio

3. Storia della Basilica di Collemaggio e caratteristiche architettoniche

4. Introduzione alle simulazioni energetiche 5. Analisi energetiche

5.1 Descrizione fisico-tecnica della basilica 5.2 Analisi energetica in regime dinamico 5.3 Fabbisogno di energia

5.4 Caratteristiche del sistema di riscaldamento su panca 5.5 Prove sperimentali

5.6 Analisi fluidodinamica

analisi della panca nella camera climatica

analisi della panca con persona nella camera climatica comfort termico

applicazione delle panche nella chiesa 6. Conclusioni bibliografia|sitografia p. 7 9 13 19 29 37 43 43 47 49 55 61 69 101 105

Indice delle immagini

Fig.1 - Schema riscaldamento centralizzato/localizzato Fig.2.1 - Schema della temperatura con lampada a IR Fig.2.2 - Chiesa di Santa Caterina, Cracovia

Fig.2.3 - Cattedrale di Matera esterno/interno Fig.2.4 - Chiesa di Rocca Pietore

Fig.2.5 - Parti radianti nella panca

Fig.3.1 - Vista aerea Basilica di Collemaggio Fig.3.2 - Facciata

Fig.3.3 - Rosone Fig.3.4 - Interni Fig.3.5 - Porta Santa

Fig.3.6 - Vista tridimensionale Fig.4.1 - Planimetria

Fig.4.2 - Sezione longitudinale AA Fig.4.3 - Sezione trasversale BB

Fig.5.1 - Modello di simulazione della Basilica di Collemaggio Fig.5.2 - Panca con riscaldamento

Fig.5.3 - Schema generale del sistema di riscaldamento idronico ad alto rendimento su panca

Fig.5.4 - Secondo componente: inginocchiatoio

Fig.5.5 - Piastre radianti idroniche realizzate da profili in alluminio estruso

Fig.5.6 - Dettaglio delle superfici radianti della panca Fig.5.7 - Posizione dei sensori

Fig.5.8 – Acquisizione IR

Fig.5.9 – Temperatura misurata dell’ambiente

Fig.5.10 – Distribuzione delle temperature dell’aria (prova 1) Fig.5.11 – Distribuzione delle temperature dell’aria (prova 2) Fig.5.12 – Distribuzione delle temperature dell’aria (prova 3) Fig.5.13 - Modello CFD

Fig.5.14 - Confronto della temperatura dell’aria tra dati sperimentali e dati simulati

Fig.5.15 - Sequenza di quattro timesteps (15, 30, 45, 60 min.) della temperatura statica dell’aria nella camera climatica

Fig.5.16 - Schema dei componenti della panca e del manichino Fig.5.17 - Keyplan

Fig.5.18 - Temperatura dell’aria, timesteps 5, 30, 60 min piano simmetrico PS

Fig.5.19 - Temperatura dell’aria, timesteps 5, 30, 60 min sezione verticale S1

Fig.5.20 - Temperatura dell’aria, timesteps 5, 30, 60 min sezione orizzontale S2 p. 14 20 22 24 26 26 29 30 30 31 31 32 34 35 35 47 55 56 57 58 59 62 63 63 64 65 66 69 70 71-72 77 78 79 81 83

Fig.5.21 - Temperatura dell’aria, timesteps 5, 30, 60 min sezione verticale S3

Fig.5.22 - Temperatura radiante, sezione verticale S1 Fig.5.23 - Temperatura radiante, sezione verticale S3

Fig.5.24 - Zoom temperatura dell’aria, sezione verticale S1, timesteps 5 min, 60 min

Fig.5.25 - Zoom temperatura radiante, sezione verticale S1 Fig.5.26 - Zoom temperatura dell’aria, sezione verticale S3

timesteps 5 min, 60 min

Fig.5.27a - Zoom temperatura radiante, sezione verticale S3 Fig.5.27b - Totalità della panca senza piano simmetrico,

sezione S3

Fig.5.28 – Distribuzione della temperatura dell’aria nella chiesa dopo 5 min

Fig.5.29 – Distribuzione della temperatura dell’aria nella chiesa dopo 30/60 min

Fig.5.30a – Confronto tra la temperatura dell’aria e la distribuzione della temperatura radiante lungo le panche

Fig.5.30b – Confronto tra la temperatura dell’aria e la distribuzione della temperatura radiante lungo le panche

Indice delle tabelle

Tab.1 - Principali parametri climatici [UNI 10349:1994; *ENEA]

Tab.2 - Caratteristiche dell’involucro edilizio Tab.3 - Temperatura misurata

Tab.4 - Dati prova 1 Tab.5 - Dati prova 2 Tab.6 - Dati prova 3

Indice dei grafici

Grafico 1 - Confronto del consumo di energia primaria tra le differenti tipologie di rascaldamento

Grafico 2 - Confronto del consumo di energia primaria tra le differenti tipologie di rascaldamento e il

sistema di progetto p. 85 87 87 91 92 93 94 95 97 99 98 99 p. 44 45 63 64 65 66 p. 53 60

Il riscaldamento degli edifici sto-rici e, in particolare, il ri-scaldamento delle chiese rappre-senta un tema complicato, per la presenza di obiettivi differenti da raggiungere in contemporanea; infatti, devono essere garantiti adeguati livelli di comfort ter-mico alle persone, fornendo nel contempo un clima interno ottimale adatto alla conservazione di opere d’arte e dei componenti di pregio. Inoltre gli attuali requisiti per la sostenibilità impongono di pro-vare, ove possibile, a ridurre al minimo la quantità di energia ne-cessaria e il conseguente impatto ambientale. Per tale ragione, la tesi orienta il tema del riscal-damento di chiese nel dettaglio, analizzando le diverse strategie possibili e sviluppando poi una tecnologia originale, in grado di combinare l’efficienza energetica e gli aspetti di conservazione del patrimonio culturale. Il campo di applicazione dello studio è rap-presentato dalla Basilica di Col-lemaggio (L’Aquila, Italia), una chiesa di rilevanza storica e

mon-diale, attualmente in fase di re-stauro. Seguendo la linea di alcu-ni progetti europei, le strategie tradizionali di riscaldamento cen-tralizzato sono state confrontate con metodi di riscaldamento loca-lizzato, come il riscaldamento su panca, e ne è stato proposto uno nuovo come quello idronico ad alta efficienza, progettato ed analiz-zato nel dettaglio. Il lavoro ha dimostrato che tale soluzione è in grado di combinare i vantaggi delle panche elettriche con quel-le di un sistema di riscaldamento idronico legato a pompe di calore geotermiche, che connette un buon livello di comfort locale per un notevole risparmio energetico e un impatto, basso o nullo, sulle ope-re d’arte pope-resenti. La progetta-zione del sistema è stata basatoa su una valutazione del comfort lo-cale, supportata da analisi speri-mentali e analisi fluidodinamiche, valutando l’interazione tra corpo umano e sistema di riscaldamento.

Lo scopo della tesi è quello di verificare, tramite lo studio di diversi tipi di riscaldamento, la soluzione più vicina a soddisfare differenti esigenze, quali il ri-sparmio energetico, la sostenibi-lità economica e il rispetto delle opere d’arte presenti nella basi-lica di Santa Maria di Collemaggio, nonchè il comfort degli occupanti. La ricerca è stata orientata ver-so la progettazione di un sistema di riscaldamento compatibile con i diversi limiti architettonici, integrando la necessità della con-servazione storica dei beni arti-stici e quella del benessere ter-mico delle persone presenti.

Il terremoto che ha colpito L’A-quila il 6 aprile 2009 ha causa-to gravi danni alla città e alla Basilica. Il progetto di restau-ro della chiesa di Santa Maria di Collemaggio ha dovuto affron-tare molti problemi, uno dei quali è il problema del riscaldamento, rilevante anche a causa del cli-ma locale: L’Aquila si trova ad un’altitudine di 720 m s.l.m. tra le montagne ed è caratterizzata da un inverno freddo.

Viste le grandi dimensioni della Basilica, la progettazione del si-stema di riscaldamento si concen-tra sulla zona delle panche dove sono seduti i fedeli.

Dopo aver descritto lo stato dell’arte del riscaldamento degli edifici storici o di culto, si in-troduce il tema delle simulazioni energetiche.

Entrando nello specifico, si ricor-re a simulazioni in ricor-regime dina-mico, per valutare temperature e fabbisogni mensili per quanto ri-guarda lo stato di fatto della Ba-silica;

si analizzano poi tipologie di ri-scaldamento che potrebbero essere utilizzate per il caso studio in questione, reputando come ideale il riscaldamento idronico radiante ad alto rendimento su panca.

Dopo la progettazione e la crea-zione di un prototipo della pan-ca, il passo successivo è lo svol-gimento di prove sperimentali in camera climatica, dove esso viene posizionato. Si ottengono quindi le misurazioni ed i risultati pre-stazionali da confrontare e verifi-care con l’ipotesi di progetto. Si costruisce poi un modello vir-tuale con uno strumento di model-lazione fluidodinamica, che sarà calibrato sulla base dei dati spe-rimentali.

Tale modello permetterà di set-tare i parametri e le equazioni più idonee a descrivere il compor-tamento delle panche all’interno della chiesa.

Si svolgono simulazioni, ottenendo immagini esplicative della distri-buzione di temperatura con l’avan-zare del tempo.

Dopo l’analisi della panca inseri-ta nella camera climatica, è sinseri-tato analizzato il comfort termico con le simulazioni del banco insieme a

figure umane sedute. Si nota così l’influenza del sistema di riscal-damento sulle diverse parti del corpo.

Infine, il sistema viene posizio-nato all’interno della chiesa di Santa Maria di Collemaggio, sua collocazione reale, per studiare il comportamento nella totalità dell’edificio.

Tutte le analisi prenderanno in esame due fattori: la temperatura dell’aria per esaminare la conser-vazione delle opere d’arte e la temperatura radiante, per valuta-re il raggiungimento del benessevaluta-re termico.

Questo metodo di riscaldamento raggiunge gli obiettivi prefissati come il comfort termico dato dal riscaldamento localizzato della panca e la conservazione del pa-trimonio artistico presente nella Basilica.

2. STATO DELL’ARTE DEL

RISCALDAMENTO DEGLI EDIFICI

STORICI

Gli edifici storici sono tutt’ora una sottocatergoria vulnerabile particolarmente importante degli edifici esistenti; essi forniscono numerose sfide in termini di con-servazione e di comfort.

Un problema particolarmente deli-cato è il riscaldamento degli edi-fici di culto (nella sola Italia le chiese sono circa 100,000[1]) perché questi contengono non meno della metà del patrimonio cultura-le. Spesso il riscaldamento è sta-to sviluppasta-to e gestista-to ispirando-si a criteri di economia e comfort da personale non particolarmente formato nel campo della conserva-zione preventiva.

Gli edifici in questione sono di grandi dimensioni, strutture im-pressionanti che racchiudono gran-di volumi gran-di aria fredda ed umida; sono spesso arricchiti da opere d’arte storiche. Essi non sono sta-ti progettasta-ti per essere riscalda-ti come vorremmo siano oggi.

Inoltre rispondere alle crescen-ti esigenze di comfort termico può danneggiare seriamente questi edi-fici, senza un’attenta considera-zione riguardante le esigenze di conservazione e delle caratteri-stiche termiche delle opere ar-tistiche, spesso presenti al loro interno.

La UNI EN 15759-1: 2011, “Conser-vazione dei beni culturali - Clima interno - Parte 1: Linee guida per riscaldamento delle chiese, cap-pelle e altri luoghi di culto” si

ispira ai risultati del progetto europeo Friendly Heating (2002-2005) che ha studiato i pro e i contro dei vari sistemi di riscal-damento e verificato le possibili alternative sostenibili in termini di conservazione e di comfort. Nel periodo invernale, la tempera-tura degli ambienti di culto viene lasciata a livello termico natura-le. Il riscaldamento viene atti-vato in concomitanza di funzioni religiose (riscaldamento intermit-tente).

Questa metodologia comporta peri-colosi abbassamenti di umidità re-lativa con gravi conseguenze alle opere d’arte interessate. Nemmeno il riscaldamento continuo, quando effettuato, risolve il problema, in quanto il livello di umidità relativa si abbassa eccessivamente con il riscaldamento causando dan-ni ai manufatti lignei e ai dipin-ti su tela e tavola, e agli organi in particolare.

L’umidificazione dell’aria non for-nisce un rimedio valido perché, pur ristabilendo il livello igro-metrico desiderabile, causa sulle pareti fredde la condensazione di parte del vapore immesso, con con-seguente movimentazione dei sali solubili e formazione di muffe e bio-organismi.

Neppure il riscaldamento misto, che consiste nel tenere l’ambiente a condizioni di un debole riscal-damento di base, per poi portar-lo rapidamente alle condizioni di

utilizzo, dà risultati sensibil-mente migliori.

In generale, le condizioni in cui le opere sono arrivate sino a noi a secoli di distanza sono l’assenza di riscaldamento e il mantenimen-to della temperatura presente, che ora è molto rischioso cambiare. Il rispetto della temperatura pre-sente vale anche nel caso dell’in-stallazione di nuovi sistemi di riscaldamento che non possono e non devono stravolgere il clima interno della chiesa.

Questa condizione diventa un li-mite quasi insuperabile per l’in-stallazione di un sistema di ri-scaldamento di tipo tradizionale, originariamente concepito e svi-luppato per le esigenze domestiche o dei capannoni industriali.

Per esempio, nel caso di una chiesa riscaldata ad aria calda, i forti abbassamenti di umidità relativa al di fuori della banda di sicurezza sono pericolosi e il riscaldamento pone a rischio le opere sensibili

come organi, opere lignee, dipinti su tela o tavola.

In linea di principio, si posso-no distinguere due filosofie di ri-scaldamento: il riscaldamento cen-tralizzato, che punta a riscaldare tutto l’ambiente, e quello lo-calizzato, che mira a riscalda-re soltanto la piccola zona dove stanno le persone, non modificando in minima parte la temperatura nel resto dell’ambiente.

Nel caso delle chiese, i siste-mi centralizzati richiedono una grande fornitura di aria calda che tende a salire in alto (specie nel caso di riscaldamento ad aria calda) con scarso beneficio per le persone sedute ed un rapido an-nerimento dei dipinti nella par-te superiore della chiesa. Altre problematiche che si rischiano di incontrare con il sistema di ri-scaldamento ad aria centralizzato, sono la stratificazione termica, la condensazione, l’imbozzamento, gli squilibri di calore e di umidità, sporcizia e deterioramento.

Inoltre, gli oggetti che costi-tuiscono il patrimonio artistico interno di una chiesa sono gene-ralmente abbastanza sensibili a fattori ambientali quali la tem-peratura dell’aria e della super-ficie, l’umidità relativa, la luce, agenti fisici, il cui equilibrio è fondamentale al fine di garantire il mantenimento e la protezione delle opere d’arte e dei materiali.

In particolare, la temperatu-ra dell’aria e i cambiamenti di umidità relativa possono causare cicli di asciutto/bagnato e movi-menti d’aria che di solito sono responsabili del deterioramento e di procedure di imbrattamento.

L’opzione del riscaldamento cen-tralizzato può essere divisa in riscaldamento continuo e in ri-scaldamento intermittente.

Innanzitutto, si noti che non esi-ste una scelta perfetta, come ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. In generale si può affermare che, anche se alcune ricerche sosten-gono che riscaldando il volume di tutta la chiesa sembra essere un modo efficace per raggiungere con-dizioni di benessere, il riscal-damento centralizzato rappresenta l’opzione più problematica e co-stosa.

Questa conclusione deriva dalla constatazione che i componenti del sistema di riscaldamento (condot-ti dell’aria, pavimen(condot-ti radian(condot-ti, radiatori) sono altamente invasivi rispetto alle strutture storiche Fig.1 - schema riscaldamento

centralizzato/localizzato (D. Camuffo, IL RISCALDAMENTO DEGLI EDIFICI DI CULTO)

esistenti e le modalità operative possono avere gravi ripercussioni sul clima interno, provocando le fluttuazioni indesiderate di tempe-ratura e di umidità di cui sopra. Anche in modalità intermittente, che consiste nell’accensione del sistema solo durante le celebrazio-ni o poco prima,il sistema richie-de un notevole consumo di energia. I sistemi localizzati sono in li-nea di principio preferibili per-ché tendono a mantenere localizza-to il calore evitando dispersioni nell’ambiente, a vantaggio sia delle persone che vengono meglio riscaldate, sia delle opere che non ricevono forti perturbazioni microclimatiche, restando sostan-zialmente nella zona in cui non è stata modificata la temperatura. Il sistema non disperde troppo calo-re all’interno di tutta la chiesa e riduce le variazioni di umidità relativa (quindi i corrispondenti effetti dannosi).

Almeno nei climi freddi, le esi-genze di comfort termico e quel-le della conservazione dei beni culturali sono generalmente con-flittuali. Ne risulta che bisogna accontentarsi di una soluzione di compromesso, il cui limite è fissa-to dai problemi conservativi del-le opere presenti, anche se questo può costare un leggero senso di disagio per l’ambiente relativa-mente fresco o freddo.

La norma UNI EN 15759-1: 2011 sta-bilisce che si cerchi un compro-messo adeguato tra queste opposte

mento con pavimenti radianti, che hanno dimostrato di soddisfare il comfort termico, la conservazione del patrimonio artistico ed allo stesso tempo un elevato risparmio energetico.

Ciò nonostante va notato che questa opzione è possibile solo in caso di importanti lavori di restauro che interessano anche pavimenti della chiesa e che è difficilmente com-patibile con i manufatti esisten-ti, dal momento che spesso i piani stessi sono delle opere d’arte. Un’altra strategia potrebbe essere basata principalmente sull’utiliz-zo di un riscaldatore radiante po-sto sulle panche, lampade a raggi infrarossi, oppure con l’emissione aria calda dal pavimento o da pe-dane.

Questi sistemi hanno il vantaggio di fornire calore solo se necessa-rio e senza incidere in modo si-gnificativo sul microclima generale della chiesa, anche se non sono completamente privi di inconve-nienti.

Le lampade a raggi infrarossi, per esempio, possono causare abbaglia-mento e anche irradiazione di ope-re d’arte vicine, danneggiandole; il riscaldamento su panca o con pedane possono causare il comfort asimmetrico, dove le zone del cor-po sono riscaldate diversamente. Una soluzione efficace, come ci-tato in precedenza, è stata rea-lizzata nell’ambito del progetto esigenze, ma nel caso di

conflittua-lità, la conservazione deve avere la precedenza.

Il rispetto del “clima storico” (sua inalterata condizione natura-le nella chiesa) impedisce di di-sperdere il calore nella zona ove si trovano opere sensibili. Non sarà possibile quindi mirare al pieno comfort termico delle per-sone, cercando di andare incontro alla necessità di conservazione. La UNI EN 15759-1 sottolinea che le esigenze di risparmio e soste-nibilità energetica vanno nella stessa direzione di quelle conser-vative: vestirsi più adeguatamente per affrontare un ambiente fresco e riscaldare in modo localizzato, o riscaldare meno, significa mi-gliorare la conservazione delle opere, ma significa anche abbattere i costi energetici.[1]

Tuttavia, anche se la modalità di utilizzo delle chiese è rimasta pressoché invariata nei secoli, nel frattempo le esigenze di comfort della società moderna, quindi dei fedeli, sono cambiate.

Alla luce delle considerazioni di cui sopra, diventa estremamente im-portante identificare le soluzioni più appropriate durante la proget-tazione del sistema di riscalda-mento di una chiesa, purché questo abbia il minor impatto possibile sul microclima locale interno.[2] Una buona soluzione potrebbe es-sere rappresentata dal

riscalda-europeo “Friendly Heating”, uti-lizzando parti riscaldate elettri-camente e strategielettri-camente immesse su inginocchiatoi, sedili e schie-nali delle panche per riscaldare adeguatamente le varie parti del corpo.

Tra le varie soluzioni analizzate, questa sembra essere decisamente una delle migliori, sia in termini di comfort sia di conservazione di opere d’arte.

Nella presente tesi è mostrato come sia preferibile l’utilizzo di stemi idronici, alimentati da si-stemi di generazione ad alta effi-cienza, quali pompe di calore, date le temperature di esercizio molto basse, invece di sistemi elettrici radianti. Naturalmente, il passag-gio di tubi idronici è più inva-sivo rispetto ai fili elettrici ed è possibile adottarlo solo quan-do consentito dalle condizioni al contorno.

2.1 TIPOLOGIE E CASI STUDIO

In questo capitolo saranno tratta-te le tipologie di riscaldamento maggiormente adottate: il sistema ad aria, il sistema di riscalda-mento a raggi infrarossi (a gas ed elettrico), il riscaldamento ra-diante a pavimento ed il riscalda-mento elettrico su panca.

SISTEMA AD ARIA

I sistemi ad aria calda sono comu-nemente utilizzati per il riscal-damento delle chiese, dal momento che sono in grado di aumentare ra-pidamente la temperatura interna. Essi sono costituiti da un gene-ratore di aria calda alimentato a gas naturale, GPL o diesel, ti-picamente posizionati fuori dal-la chiesa e collegati all’ambiente interno con due o più condotti per far circolare e riscaldare il vo-lume d’aria interna.

Nei sistemi tradizionali ad aria calda sono presenti dei ventila-tori per farla circolare meglio, dato che essa, quando si riscal-da, tende a salire verso l’alto, creando zone più fredde a minore altezza.

Questa, scorre velocemente verso il soffitto, riscaldandolo per primo e, solo successivamente, portando calore ad altezza umana, creando un gradiente termico significati-vo lungo l’altezza della chiesa e cambiando notevolmente il livello di umidità relativa.

Allo stesso tempo, si formano cor-renti di aria fredda, e possono creare disagio tra le persone. Si noti anche, che con tali si-stemi di riscaldamento la tempe-ratura dell’aria interna e i tassi di variazione di umidità relativa possono essere superiori al limite suggerito in letteratura per pre-servare l’interno delle chiese[10]. Il funzionamento e i flussi di aria in genere producono rumore all’in-terno dell’ambiente riscaldato; inoltre, i condotti e le griglie sono invasivi per l’edificio sto-rico. Per il caso studio della Basilica di Santa Maria di Colle-maggio, sono stati analizzati due diversi sistemi ad aria: il pri-mo, acceso continuamente durante gli orari di apertura della chie-sa, ed il secondo, da utilizzare solo durante le celebrazioni. Le descrizioni specifiche e il calcolo dell’energia sono riportati di se-guito al capitolo riguardante l’a-nalisi energetica in regime dina-mico.

RISCALDAMENTO A RAGGI INFRAROSSI

Una soluzione alternativa ai si-stemi ad aria in edifici di grandi dimensioni come le chiese, può es-sere il sistema di riscaldamento radiante utilizzando lampade so-spese sopra la zona occupata.

I sistemi che utilizzano questo impianto riducono il problema che si verifica con il riscaldamento a convezione, relativo al movimento verso l’alto di aria calda, per-ché le persone sono riscaldate per mezzo di onde elettromagnetiche, mentre l’aria della stanza viene riscaldata indirettamente, a se-guito dell’emissione di calore da parte di elementi che sono già sta-ti riscaldasta-ti[3]. I sistemi ad in-frarossi hanno poca inerzia termi-ca e dovrebbero essere utilizzati solo durante l’occupazione della chiesa.

La radiazione ad infrarossi pro-voca il sopracitato comfort asim-metrico, con un probabile disagio degli utenti. I due tipi principa-li di sistemi ad infrarossi sono descritti di seguito.

Fig.2.1 - Schema della temperatura con lampada a infrarossi (Institute of At-mospheric Sciences and Climate - D. Ca-muffo, CHURCH HEATING: A BALANCE BETWEEN CONSERVATION AND THERMAL COMFORT)

RISCALDAMENTO A RAGGI INFRAROSSI A GAS

Negli emettitori a gas, tipicamen-te usati in grandi edifici, la com-bustione avviene direttamente in ciascun riscaldatore, così i gas di scarico vengono generalmente emessi nell’ambiente riscaldato causando inquinamento interno ed eventuale condensazione del vapo-re sulla superficie da costruzione. Diversi criteri di dimensionamento e progettazione per tali sistemi derivano dalla bibliografia[4].

RISCALDAMENTO A RAGGI INFRAROSSI ELETTRICO

La configurazione del sistema è molto semplice e non ci sono emis-sioni di agenti inquinanti o vapo-re, poiché ciascun riscaldatore è semplicemente collegato alla rete; purtroppo per grandi edifici la po-tenza elettrica richiesta può es-sere enorme, richiedendo una con-nessione di medio voltaggio.

Ci sono generalmente due tipi di pannelli radianti elettrici dispo-nibili:

- riscaldatori tubolari compren-denti una resistenza elettrica in-torno ad un materiale isolante, come il vetro di quarzo che viene riscaldato ad una temperatura di 400 - 900 °C;

- lampade alogene al quarzo com-prendenti un filamento di tungsteno immerso in un’atmosfera alogena in un quarzo trasparente, con il tubo che viene riscaldato a 1000-2400 °C.

I riscaldatori ad infrarossi hanno dimostrato di generare poco flusso d’aria.

Essi sono in grado di fornire ca-lore localizzato alle zone dove la gente si riunisce senza alterare le pareti dipinte e le opere d’ar-te esposd’ar-te nelle chiese.

Tuttavia, deve essere posta atten-zione che le opere d’arte sensibili non siano esposte alla radiazione infrarossa diretta, in quanto in pochi minuti le lampade provocano un aumento notevole di temperatura presentando il rischio di danni ad esse.

CASO STUDIO _ CHIESA DI SANTA CA-TERINA, CRACOVIA [7]

L’impatto delle lampade a raggi in-frarossi sul microclima, sui flussi d’aria, sul trasporto e deposizio-ne di particelle è stato monito-rato tra il marzo 2004 e il marzo 2005 nella chiesa storica di Santa Caterina a Cracovia (Polonia). Le misurazioni mostrano che, seb-bene l’ irradiazione a livello del pavimento aumenta la temperatura e riduce l’umidità relativa all’in-terno della chiesa, l’effetto al di fuori della zona riscaldata e per le superfici riparate da irradia-zione, è molto limitato e potrebbe essere paragonato all’assenza del sistema di riscaldamento.

Se posizionate correttamente, sono capaci di un rapido riscaldamento delle persone, anche di quelle in piedi posizionate nelle zone dove non è presente un numero sufficien-te di panche.

Lo scopo di questo progetto è quello di indagare in dettaglio l’effetto di lampade infrarosse elettriche sospese lungo la chiesa storica. Lo studio si è concentrato su di-versi aspetti chiave: microclima, flussi d’aria, nonché trasporto e deposizione di particelle sospese. E’ noto che il livello di comfort dipende dall’omogeneità, dall’in-tensità e dalla simmetria della radiazione infrarossa dai riscal-datori. Le teste sono riscaldate più dei piedi e la combinazione del riscaldamento radiante sospeso con il riscaldamento su panca vie-ne talvolta adottata per migliora-re il comfort.

Un ulteriore studio previsto sarà il tentativo di ottimizzare l’uti-lizzo del riscaldamento radiante sospeso nelle chiese e dimostra-re le possibilità di bilanciadimostra-re il conforto umano e le esigenze di conservazione.

La chiesa monumentale in matto-ni di Santa Caterina a Cracovia è stata utilizzata come sito per il suo involucro edilizio più

soli-do ed ermetico rispetto ad altre chiese che ostacola lo scambio in-terno-esterno d’aria ed offre una migliore capacità di trattenere il calore.

La chiesa è una basilica gotica, a tre navate, costruita dal 1365 al 1400. Il sistema di riscalda-mento per la navata principale è costituito da dieci riscaldato-ri elettriscaldato-rici montati in modo per-manente ad un’altezza di 7 m dal pavimento. Ogni riscaldatore com-prende sei tubi radianti di 2 kW, quindi il totale di potere di fun-zionamento durante i servizi è di 120 kW. Il riscaldamento è acceso circa 10 minuti prima dell’inizio della celebrazione e spento dopo 45 min.

Fig.2.2 - Chiesa di Santa Caterina, Cra-covia

(L. Samek et al.,THE IMPACT OF ELECTRIC OVERHEAD RADIANT HEATING ON THE INDOOR ENVIRONMENT OF HISTORIC CHURCHES)

RISCALDAMENTO RADIANTE A PAVIMENTO

Il riscaldamento radiante a pavi-mento ha lo stesso principio del riscaldamento radiante su panca in quanto provvede a riscaldare gli occupanti della chiesa direttamen-te, non disperdendo calore in tut-to il volume dell’edificio, evitan-do quindi un deterioramento delle opere d’arte presenti.

Esso comprende una serie di tubi installati appena al di sotto del livello di calpestio, vicini tra loro, in modo da permettere un ri-scaldamento uniforme. Sopra essi è presente un massetto che sostiene la pavimentazione.

Rispetto ad un normale riscalda-mento convettivo, quello radiante evita l’effetto discomfort dovuto alla stratificazione delle zone ri-scaldate, con lo strato più cal-do in alto. In più, si evita la formazione di correnti d’aria che, sollevando la polvere, potrebbero creare problemi.

Da non sottovalutare il vantag-gio di non avere ingombri di al-cun tipo in quanto a termosifoni o ventilconvettori, oltre ad avere un notevole risparmio nel consu-mo di energia, poichè lo stesso comfort si avrebbe con temperature inferiori di esercizio rispetto ai sistemi tradizionali, proprio in virtù della migliore distribuzione termica.

Impianti simili sono già stati utilizzati in numerosi edifici pro-tetti dal Ministero italiano dei

Beni Culturali, tra i quali pos-siamo includere gli esempi di al-cune Chiese di Matera: San France-sco di Paola, Purgatorio e di S. Agostino.

CASO STUDIO _ CATTEDRALE DI MATERA

[8]

Un esempio di riscaldamento ra-diante a pavimento si può trovare nella Cattedrale di Matera.

Uno dei motivi che hanno portato alla scelta del sistema di riscal-damento a pavimento radiante nella Cattedrale è che nel progetto ge-nerale era già prevista la sosti-tuzione del pavimento esistente. Quindi non è presente il problema dell’invasività per l’intervento da effettuare.

Il sistema di riscaldamento è rap-presentato da un sistema radiante a pavimento costituito da 6 sta-zioni da cui partono i circuiti di riscaldamento; l’intero sistema è controllato da una caldaia posta a nord e all’esterno della struttu-ra. I pannelli radianti sono for-mati da tubi per un totale di 4135 m con un contenuto d’acqua di 550 litri e distanti 10 cm tra loro. La temperatura di esercizio è di 40 °C ottenuta in 2,5 ore dall’ac-censione del sistema, creando una temperatura di pavimento di 29 °C. Il calore rimane prevalentemen-te confinato nei pressi della zona utile per il comfort termico (fino ad un’altezza di circa 3 metri) e solo una piccola parte di esso vie-ne disperso vie-nell’ambiente tramite

convezione. Nella zona al di fuo-ri di quella occupata dai fedeli, la perturbazione T-UR (temperatu-ra - umidità relativa) non supe(temperatu-ra le fluttuazioni naturali. Quindi le opere non subiscono forti oscil-lazioni di temperatura e umidità, dannose per la loro conservazione. La messa a punto del sistema av-viene in breve tempo perché i cir-cuiti realizzati con spirale op-posta sono collocati solo pochi centimetri sotto il pavimento e la distanza tra i tubi (10 cm) è piccola, ottenendo così un eleva-ta uniformità di temperatura ed un elevato rendimento termico per me-tro quadrato.

Inoltre, è stato sviluppato un si-stema di regolazione, per evita-re il pericoloso surriscaldamento delle opere d’arte, che è atti-vato per ridurre la temperatura dell’acqua in uscita del sistema a circa 30-35 °C, non appena il pavimento inizia a raggiungere la temperatura di esercizio.

Le misurazioni sperimentali effet-tuate mostrano che il sistema di riscaldamento radiante a pavimento risponde alla necessità di garan-tire comfort termico per le per-sone che frequentano la chiesa e la conservazione ottimale del pa-trimonio artistico, dal punto di vista termo-igrometrico.

Si ritiene inoltre essenziale sot-tolineare che questo tipo di si-stema a bassa temperatura permette un elevato risparmio energetico in quanto consente l’impiego di si-stemi di combustione ad alta ef-ficienza (caldaie a condensazione) e/o di impianti di energia rinno-vabile (pompe di calore, colletto-ri solacolletto-ri termici).

Fig.2.3 - Cattedrale di Matera esterno/interno

RISCALDAMENTO ELETTRICO SU PANCA

Il riscaldamento su panca è una soluzione tecnica per il comfort termico locale, che ha il vantag-gio di una dispersione molto dotta del calore nell’ambiente ri-spetto a tutti i sistemi ad aria o riscaldatori a raggi infrarossi. Infatti, le opere d’arte rimangono in una condizione climatica quasi inalterata e non subiscono danni persistenti da sbalzi di tempera-tura e umidità.

Con alcuni tipi di impianti di ri-scaldamento su panca, il comfort termico può non essere pienamente soddisfacente, perché i componenti riscaldanti sono posizionati ap-pena sotto la seduta della panca e solo i piedi e le gambe sono riscaldati. Come precedentemen-te introdotto, recenti ricerche[9] hanno dimostrato che le soluzio-ni tecsoluzio-niche innovative che inte-grano il riscaldamento elettrico e le lamine correttamente installa-te come sotto-seduta, sotto-ingi-nocchiatoio ed elementi ad altezza mani sono in grado di garantire il livello di comfort ottimale ridu-cendo al minimo l’influenza negati-va sulla chiesa e sulle sue opere d’arte.

In generale, il riscaldamento può essere generato con fogli riscal-danti, con potenza compresa di so-lito da 50 a 300 W / mq [3,5] e il sistema può essere acceso solo du-rante le celebrazioni grazie alla sua bassissima inerzia termica e al suo periodo di accensione. Dati

di letteratura dimostrano che sono ottenibili con tale soluzione tec-nica risparmi significativi, tipi-camente superiori al 70% in con-fronto con sistemi on-demand ad aria [6].

CASO STUDIO _ CHIESA DI ROCCA PIE-TORE [9]

Un caso importante che ha cambiato il modo di riscaldare le chiese è quello di Rocca Pietore, vicino a Bolzano ad un’altitudine di 1143 m s.l.m.

Dall’inverno 2003, per il riscal-damento occasionale della chiesa, è stato installato un sistema di riscaldamento ad aria calda ali-mentato a gasolio.

Tale sistema è molto diffuso nel-le regioni di montagna per il suo basso costo e rapidità di rispo-sta.

Successivamente è stata installata una nuova tipologia di riscalda-mento.

Questo nuovo sistema, costitui-to da banchi e tappeti riscaldati elettricamente, ha sostituito il sistema di riscaldamento a soffiag-gio d’aria calda. Esso fa in modo che l’aria calda sia localizzata nella zona dove le persone sono sedute durante la celebrazione. I riscaldatori elettrici sono mon-tati sotto i sedili e sulla parte inferiore dei banchi.

Alcuni elementi di riscaldamento a bassa temperatura sono montati sul retro delle panche e, inoltre, alcuni tappeti riscaldati

elettri-camente sono posti intorno all’al-tare, esercitando un riscaldamento locale. La disposizione di que-sto sistema è simmetrico rispetto all’asse longitudinale della chie-sa. Questa è anche una condizio-ne importante per evitare la pos-sibile insorgenza di gradienti di temperatura, che causa circolazio-ne indesiderata dell’aria interna, e quindi porta alla risospensione e/o deposizione di sostanze inqui-nanti, nonché ad una penetrazio-ne maggiore di inquinanti esterni nell’edificio.

Si può notare che il primo tipo di riscaldamento, quello ad aria, alimenta la probabilità di deposi-zione gassosa di inquinanti atmo-sferici e presenta un maggior ri-schio di danno alle opere d’arte. Il nuovo sistema invece mantiene il calore e l’umidità localizzata e intorno ai banchi. Questi sono tutti vantaggi importanti del si-stema di riscaldamento localizzato rispetto ai sistemi convenzionali, in particolare dal punto di vista

della conservazione. Così può es-sere raccomandata la sua instal-lazione e il suo utilizzo nelle chiese con opere d’arte monumen-tali.

Fig.2.4 - Chiesa di Rocca Pietore

Fig.2.5 - Parti radianti nella panca (D. Camuffo et al., AN ADVANCED CHURCH HE-ATING SYSTEM FAVOURABLE TO ARTWORKS: A CONTRIBUTION TO EUROPEAN STANDARDISATION)

1. D. Camuffo, IL RISCALDAMENTO DEGLI EDIFICI DI CULTO, U&C n°7 luglio/agosto 2014

2. M. Makrodimitri et al., HEATING HI-STORIC STRUCTURES. A REVIEW OF HEATING SYSTEMS IN HISTORIC CHURCH BUILDINGS AND IMPLICATIONS RELATED TO CONSERVATION AND COMFORT. THE CASE OF FOUR HISTORIC CHUR-CHES IN CAMBRIDGE, University of Cambrid-ge (2011)

3.www.ceilhit.es/en/products/product-he-ating-film/

4. E. Dudkiewicz, J. Jezowiecki, SENSIBLE TEMPERATURE IN STRUCTURES HEATED BY GAS-FIRED DIRECT RADIANT HEATERS (TEMPERATU-RA ODCZUWALNA W OBIEKTACHOGRZEWANYCH PRO-MIENNIKAMI CERAMICZNYMI), Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 5(39)(2008) 12– 16 (in Polish)

5.www.barbourproductsearch.info/Thermo-foil_Data_Sheet-file044749.pdf

6. D. Neilen, M.E.A. Schoffelen, H.L. Schellen, DESIGN STUDY OF A LOCAL BENCH HEATING SYSTEM FOR CHURCHES, PERFORMED BY COMPUTER SIMULATION, Plea2004 - The 21th Conference on Passive and Low Energy Architecture. Eindhoven, September 2004, 1-5

7. L. Samek et al., THE IMPACT OF ELEC-TRIC OVERHEAD RADIANT HEATING ON THE IN-DOOR ENVIRONMENT OF HISTORIC CHURCHES, J. Cult. Herit. 8 (2007) 361–369

8. T. Cardinale, G. Rospi, N. Cardinale, THE INFLUENCE OF INDOOR MICROCLIMATE ON THERMAL COMFORT AND CONSERVATION OF ART-WORKS: THE CASE STUDY OF THE CATHEDRAL OF MATERA (SOUTH ITALY), Energy Procedia 59 (2014) 425–432

9. D. Camuffo et al., AN ADVANCED CHURCH HEATING SYSTEM FAVOURABLE TO ARTWORKS: A CONTRIBUTION TO EUROPEAN STANDARDISA-TION, J. Cult. Herit. 11 (2010) 205–219 10. Edyta Dudkiewicz, Janusz Jezowiecki, THE INFLUENCE OF ORIENTATION OF A GAS-FI-RED DIRECT RADIANT HEATER ON RADIANT TEM-PERATURE DISTRIBUTION AT A WORK STATION, ENERGY AND BUILDINGS 43 (2011), 1222-1230

3. STORIA DELLA BASILICA DI

COLLEMAGGIO E

CARATTERISTI-CHE ARCHITETTONICARATTERISTI-CHE

La basilica di S. Maria di Colle-maggio è sempre stata considerata, assieme a quella di S. Bernardino, una delle chiese più importanti del capoluogo abruzzese, icona della storia dell’architettura medioeva-le e del Quattrocento aquilano. È verosimile che nel sito ove sor-ge attualmente la basilica di S. Maria di Collemaggio esistesse qualche precedente costruzione, circostanza confermata dall’osser-vazione del monumento e dagli sca-vi archeologici effettuati all’in-terno e all’esall’in-terno della chiesa. La Basilica di Santa Maria di Collemaggio, la cui facciata co-stituisce il massimo capolavoro dell’arte abruzzese d’ogni tempo, è stata fondata nella seconda metà del sec. XIII ma il grosso del-le sue vicende costruttive ha se-guitato a fiorire ininterrottamente nell’arco di tutto il Trecento, per

proseguire poi con alterne vicende fino ai giorni nostri mediante ri-facimenti, ristrutturazioni, tra-sformazioni e restauri derivanti da terremoti, mutamenti del gusto e quant’altro.

Il risultato di un cosí complesso e intricato procedimento è uno stra-ordinario intreccio d’architettura e arti decorative che trova i suoi vertici espressivi nei fondamenta-li capisaldi romanici e gotici ma che annovera episodi non secondari d’impianto rinascimentale e baroc-co nonché degli ultimi due sebaroc-coli. Poco si potrebbe comprendere della multiforme ragion d’essere e del-la sfolgorante esteriorità deldel-la Basilica se non si tenesse conto delle vicende storiche e spiritua-li di San Pietro Celestino, che ne fu il fondatore e che, con il de-posito dei suoi resti mortali, ne costituisce la gemma più preziosa nonché l’attrattore fondamentale, per via della sua perdurante fama di grande taumaturgo e della stra-ordinaria indulgenza della

“Perdo-Fig.3.1 - vista aerea Basilica di Collemaggio

nanza”, da lui stesso istituita. La grandiosa facciata a coronamen-to orizzontale è bipartita oriz-zontalmente da una cornice a men-sole; due paraste dividono in tre la porzione superiore; l’intera superficie è rivestita da un pa-ramento in pietra bianca e ros-sa concepito come uno spettacolare arazzo sul quale si stagliano le vertiginose merlettature dei tre portali, dei tre rosoni e degli altri non meno raffinati elementi compositivi. Addossato all’angolo destro della facciata, il basamen-to di un poderoso basamen-torrione otta-gonale fa da quinta verso l’area occupata dal vasto insediamento monastico, oggi sede di attività di studio e ricerca.

Al centro del fianco sinistro del corpo basilicale campeggia la Por-ta SanPor-ta, che viene aperPor-ta solPor-tan- soltan-to una volta l’anno, dalla sera del 28 Agosto alla sera seguente, per l’indulgenza della Perdonanza; è incorniciata da un prezioso por-tale di fine Trecento, sormontato

dall’insegna municipale in pietra a tutto tondo e racchiudente una lunetta affrescata all’inizio del Quattrocento da Antonio di Atri (Madonna con Bambino affiancata dai Santi Giovanni Battista e Celesti-no; quest’ultimo mostrante la Bol-la dell’indulgenza).

La facciata della Basilica è stata realizzata tra il ‘400 ed il ‘500 con pietre bianche e rosa che di-segnano un magnifico sfondo a tre rosoni e tre portali. L’opera è di dubbia attribuzione ad artisti di-versi, alcuni raffinatissimi (por-tale e rosone centrale); si ipo-tizza nell’opera un contributo di Domenico da Capodistria.

Con un intervento risalente ai pri-mi anni 70 del Novecento è stato rimosso l’apparato barocco con cui l’intera aula ecclesiale era stata rivestita.

L’aspetto attuale restituisce dunque in gran parte l’assetto strutturale originario: tre nava-te, spartite da 16 arcate ogivali poggianti su pilastri ottagonali;

copertura a capriate lignee; ric-chissima pavimentazione in pietra bianca e rossa con numerose lastre tombali scolpite.

Sulla parete della navata destra sopravvivono alcune nicchie con importanti testimonianze quattro-centesche degli affreschi che un tempo rivestivano l’intero ambien-te: sul primo pilastro a destra, la testina di una Santa Monaca, magistrale creazione di Antonio di Atri; in alcune delle nicchie ogivali dislocate lungo il perime-tro parietale della navata destra: Madonna con le Sante Apollonia e Agnese; Assunzione e Incoronazio-ne della Madonna; CrocifissioIncoronazio-ne con San Giovanni e San Giulianino.

Percorrendo la navata sinistra si nota subito che la parete viene interrotta dall’apertura di un portone spoglio, quasi mesto: è la Porta Santa. In una nicchia della navata sinistra, sontuoso affre-sco del sec. XVI: Madonna con Bam-bino affiancata dai Santi Michele Arcangelo e Massimo. Al di sopra dell’arco trionfale, il prezioso

sco quattrocentesco (attribuito a Saturnino Gatti) raffigurante l’at-to della rinuncia di Celestino V al papato.

Disseminate lungo le pareti delle navate laterali e dell’abside mag-giore, numerose grandi tele dipin-te da Carl Ruther di Danzica nel sec. XVII con episodi della vita di San Pietro Celestino. [1,2]

Crocifisso medioevale scolpito dal Maestro di Visso. Sotto l’ultima arcata di sinistra, un elegante e pregiatissimo organo settecentesco in legno intagliato e dorato re-cante eleganti bassorilievi dedi-cati alla Vita di Cristo.

Nel transetto, tuttora barocco, con modesta cupola di metà Nove-cento, due grandi altari marmorei che accolgono, rispettivamente, una Madonna con Bambino in ter-racotta policromata attribuita a Silvestro Aquilano (fine sec. XV) e due tele seicentesche: Decolla-zione del Battista (Mattia Preti), Promulgazione della Perdonanza (scuola di Pietro Berrettini).

Nell’abside destra, il mausoleo rinascimentale disegnato e scolpi-to da Girolamo da Vicenza cusscolpi-todi- custodi-sce i resti mortali di San Pietro Celestino.

Nell’abside maggiore, un grande coro ligneo barocco è sovrapposto ad alcune importanti persistenze dell’antico assetto della Basili-ca. Tra queste, il celebre

affre-Fig.3.6 - vista tridimensionale (www.ungiornoacollemaggio.it/ content/2027)

1. www.basilicacollemaggio.it/ 2. www.ungiornoacollemaggio.it/con-tent/2027

Fig.4.2 - sezione longitudinale AA

Fig.4.3 - sezione trasversale BB

A A

B B

(‘Ripartire da Collemaggio’,

4. INTRODUZIONE ALLE

SIMULAZIONI ENERGETICHE

L’analisi energetica consiste nel-la realizzazione di un modello numerico capace di descrivere le caratteristiche dell’edificio e de-gli impianti e nell’esecuzione di calcoli finalizzati all’ottenimen-to di informazioni energetiche del sistema edificio-impianto quando sottoposto a particolari solleci-tazioni.

In pratica è necessario costruire una procedura di calcolo con tut-ti gli algoritmi necessari, inse-rire tutte le informazioni geome-triche e termofisiche dell’edificio da simulare, nonché tutte le in-formazioni prestazionali degli im-pianti, impostare le forzanti del sistema edificio-impianto (interne ed esterne) e compiere i calcoli. Grazie all’intensa attività degli studiosi di fisica dell’edificio di tutto il mondo, sono disponibili oggi varie procedure di calcolo, utilizzanti metodologie più o meno dettagliate in funzione delle ne-cessità di simulazione, già pronte all’uso; così come sono disponibi-li numerosi software che implemen-tano tali procedure.

Per effettuare una simulazione energetica è quindi sufficiente, una volta selezionata la procedu-ra più adatta ai propri scopi o il relativo software, inserire i dati necessari ed avviare la procedura di calcolo.

Ciò che però è possibile fare è distinguere tra procedure che si

basano su metodologie di calcolo in REGIME STAZIONARIO o semi-sta-zionario e procedure che si basano su metodologie di calcolo in REGI-ME DINAMICO.

Le differenze principali tra le due metodologie sono:

- la diversa entità dell’interval-lo temporale di simulazione

- la diversa modalità di gestione delle forzanti

- la diversa modalità di calcolo del flusso di calore.

Nella SIMULAZIONE ENERGETICA IN REGIME STAZIONARIO l’intervallo temporale di simulazione coincide con la stagione di riscaldamento o con la stagione di raffrescamen-to, mentre nel caso di simulazione energetica semi-stazionaria l’in-tervallo temporale di simulazione coincide con un singolo mese.

Il modello numerico, che possiamo definire semplificato, prevede dun-que un trasferimento di energia tra edificio e ambiente esterno in condizioni fisse. Vengono mantenute cioè costanti all’interno dell’in-tervallo temporale di simulazio-ne sia le modalità di utilizzo dell’edificio (occupazione, apporti interni, ecc.) sia le condizioni climatiche (temperature e condi-zioni atmosferiche).

Il calcolo energetico viene perciò effettuato come semplice bilancio termico, tra condizioni interne ed esterne all’edificio, attraverso l’utilizzo dell’analogia termoe-lettrica. Il flusso di calore dovuto al potenziale termico causato dal-la differenza di temperatura tra interno ed esterno viene

rallen-tato dalla resistenza costituita dalla trasmittanza del componente di involucro edilizio.

Il consumo energetico (elettricità, gas naturale, ecc.) viene anch’es-so calcolato in regime stazionario o semi-stazionario sulla base del fabbisogno energetico dell’involu-cro, rispettivamente stagionale o mensile, utilizzando dei fattori di correlazione che tengono conto del tipo di sistema impiantistico applicato.

Come accennato in precedenza, un altro metodo di simulazione ener-getica è quello in REGIME DINAMI-CO.

Esso segue i principi della simu-lazione energetica in regime sta-zionario o semi-stasta-zionario e, in aggiunta alle caratteristiche re-sistive dell’involucro, sono prese in considerazione anche le carat-teristiche capacitive, ovvero si tiene conto anche della proprietà di immagazzinamento del calore degli elementi massivi dell’involucro. Si valorizza pertanto la cosiddet-ta inerzia termica dell’involucro edilizio opaco.

Ciò è possibile utilizzando un in-tervallo temporale di simulazio-ne più breve rispetto al caso di simulazione energetica in regime stazionario o semi-stazionario e facendo in modo che le condizio-ni di partenza nei calcoli ener-getici per ciascun intervallo di tempo sia il risultato dei calcoli condotti per l’intervallo di tempo precedente.

È così che l’intervallo temporale di simulazione può arrivare fino al

minuto e che la temperatura interna ai locali non sia un dato imposto, ma un risultato della simulazione energetica. È quindi possibile no-tare come la temperatura interna varia al passare del tempo.

Anche gli impianti seguono in ma-niera continuativa l’evoluzione dei parametri interni ai locali. L’impianto si attiva solo quando la temperatura di setpoint, o tem-peratura di comfort, non è sod-disfatta, seguendo curve presta-zionali e di rendimento funzione delle condizioni operative proprie dell’intervallo di tempo di simu-lazione.

È evidente come una simulazione energetica condotta in regime di-namico fornisce molte informazioni su come il sistema edificio-impian-to risponde alle sollecitazioni (interne ed esterne).

Sia simulando in regime staziona-rio o semi-stazionastaziona-rio sia simu-lando in regime dinamico è pos-sibile conoscere il fabbisogno energetico ed il consumo di combu-stibile dell’edificio. Il maggiore livello di dettaglio nei risultati ottenibile nel caso di simulazione energetica dinamica indica che sia sempre preferibile utilizzare que-sto tipo di simulazione.

In realtà il maggiore dettaglio nei risultati viene ottenuto a fronte di un maggiore numero di input alla simulazione e a un maggior livello di conoscenza dei fenomeni fisici che stanno alla base del funziona-mento dell’edificio da parte di chi conduce la simulazione.

Effettuare simulazioni in regi-me dinamico ha quindi un maggior onere di tempo sia di conduzione della singola simulazione sia di apprendimento dei metodi matema-tici e degli strumenti software da utilizzare.

Conviene dunque, ove sia richiesta la sola conoscenza del fabbisogno energetico e dei consumi annuali o stagionali dell’edificio, utilizza-re metodologie stazionarie o semi-stazionarie. [1,2]

Le differenti analisi sono state affrontate con l’aiuto di due di-versi software: per la prima parte si è utilizzato il programma BE-STenergy, per la seconda il pro-gramma Fluent.

BESTENERGY

BESTenergy è una collaborazione tra due software come EnergyPlus (non avendo interfaccia grafica) e Google Sketchup.

Attraverso EnergyPlus è possibile accedere in modo completo a tutte le impostazioni del modello termi-co di un edificio nonchè ai report dettagliati in uscita.

Input e output dell’edificio vengo-no gestiti attraverso delle tabelle di dati che non hanno automatismi o elementi grafici semplificati-vi. Per ovviare a questo problema esistono delle interfacce grafiche esterne che facilitano la creazio-ne del modello termico dell’edifi-cio e l’inserimento delle proprie caratteristiche, come nel caso in questione Google Sketchup.

Dopo aver creato il modello termi-co dell’edificio, si passa alla ge-stione delle caratteristiche ter-miche di esso.

I suoi risultati mostrano un buon accordo con strumenti di simula-zione ben consolidati, come DOE-2.1E, BLAST, ed ESP nonché con dati provenienti da ricerche sperimen-tali [3].

EnergyPlus è stato sviluppato dal dipartimento dell’energia de-gli Stati Uniti d’America [4] con la collaborazione delle maggiori università mondiali. Il softwa-re è strutturato in molti moduli di programma che lavorano simul-taneamente per calcolare, utiliz-zando un’ampia varietà di sistemi e fonti di energia, il

fabbiso-gno energetico di riscaldamento e di raffrescamento di un edificio e l’andamento di tutti i parametri prestazionali e di comfort colle-gati all’utilizzo dello stesso. Ciò viene fatto simulando l’edi-ficio ed i sistemi energetici as-sociati ad esso in funzione delle diverse condizioni ambientali ed operative.

ANALISI CFD - FLUENT

L’analisi CFD (Computational Flu-id Dynamics) permette di valutare qualitativamente i parametri ter-modinamici degli ambienti interni ed esterni di un edificio in modo da ottenere una rappresentazione det-tagliata dell’intero volume ana-lizzato. Con il CFD si raggiungono i più alti livelli di simulazio-ne oggi disponibili e si ottengono informazioni complete in differen-ti modi. Qualsiasi fattore può es-sere tenuto in considerazione ed i risultati vengono riportati con molteplici sistemi grafici, modula-bili a seconda degli aspetti og-getto della simulazione.

Le potenzialità del sistema di calcolo CFD consistono nella valu-tazione dei moti convettivi e del-le temperature per ogni porzione di volume riscaldato e nella valu-tazione dell’efficacia termica dei corpi scaldanti. In questo caso si sfrutteranno le prime due qualità dell’analisi CFD. Esse sono com-prese nel programma utilizzato per le successive analisi fluidodinami-che, cioè Fluent (versione 15).[5]

1.www.sgmconsulting.it/chi-siamo/simula-zioni-energetiche

2.www.mygreenbuildings.org/2015/05/05/ simulazione-energetica-dinamica-edifici-nzeb.html

3.Crawley, DB(2008). Test e validazio-ne di un nuovo programma di simulaziovalidazio-ne energetica degli edifici. Atti del Set-timo Internazionale IBPSA Conferenza Brasile:IB, DOE(2011), EnergyPlus Energy Simulation Software-Test e validazione, US Department of Energy

4.U.S.Department of Energy Building Technologies Office

5.www.mygreenbuildings.org/2015/05/20/ software-simulazione-dinamica-edifici. html

5.1 DESCRIZIONE

FISICO-TECNICA DELLA BASILICA

In questo capitolo si affrontano le analisi energetiche dello stato di fatto e, dopo aver esposto la progettazione del sistema di ri-scaldamento, le prove sperimentali svolte e le simulazioni fluidodina-miche con la panca.

Di seguito sono descritte e con-frontate le principali strategie di riscaldamento possibili per la basilica.

In particolare, in prima anali-si, la domanda di energia termica teorica dell’edificio è stata cal-colata mediante la simulazione in regime dinamico, ipotizzando una temperatura costante di set point interno durante la stagione fredda che corrisponde a 15 °C.

Mediante lo stesso modello energe-tico, è stato simulato e valutato il comportamento dell’aria della chiesa, per comprendere con pre-cisione le condizioni al contorno. Sono state poi descritte le altre strategie di riscaldamento, cal-colandone la relativa domanda di energia termica.

Il dimensionamento di ogni solu-zione tecnica proposta è stato ef-fettuato secondo le condizioni al contorno descritte nel paragrafo seguente.

Si noti che sono state analizza-te le straanalizza-tegie di riscaldamento utilizzabili; a titolo di esempio, il riscaldamento a pavimento e le

pedane riscaldate sono state con-siderate non valide nelle navate della chiesa a causa delle esigen-ze di conservazione del presente pavimento storico.

CALCOLO DEL FABBISOGNO DI ENERGIA TERMICA TEORICA E DEL COMPORTAMEN-TO ‘FREE-FLOATING’

Questo capitolo riassume i dati e le ipotesi utilizzati per effet-tuare le analisi energetiche della basilica.

In particolare, è stata effettua-ta una valueffettua-tazione del contesto climatico; i principali dati sono elencati nella tabella 1.

È stata effettuata un’analisi del-le caratteristiche geometriche e termo-fisiche della basilica: la pianta rettangolare della basili-ca (26 m × 95 m) è divisa in tre navate (una centrale e due latera-li) separate da archi che poggiano su colonne. La navata centrale è alta 21 metri, le navate latera-li e l’altare maggiore (abside e il presbiterio) misurano 15 m nel loro punto più alto.

Tabella 1. Principali parametri climatici [UNI 10349:1994; *ENEA]

Luogo L’Aquila Latitudine 42°21’ Longitudine 13°23’ Altitudine (m) 714 Gradi riscaldamento-Giorno (°C) 2514 T media annua aria esterna (°C) 11,75 T max (°C) 29,1 T invernale (°C) -5 Irradiazione globale annuale piano orizzon-tale (kWh/m2_year) 1’436

La superficie del pavimento della chiesa è di circa 2’120 m2 ed il suo volume netto è di circa 34’800 m3.

La superficie totale disperdente termica è 8’380 m2 ed il valore su-perficie/volume (S / V) è 0.24.

Le pareti esterne della chiesa sono in pietra calcarea e hanno uno spessore variabile da 0,65 m a 2,6 m. Le pareti delle absidi sul lato interno sono intonacate e imbiancate. I vetri delle pare-ti esterne sono realizzapare-ti con un vetro singolo e costituiscono una superficie vetrata minima. Il pavi-mento della chiesa è ricoperto da piastrelle di pietra. Il tetto è costruito in legno, rivestito con tegole. Lo spessore, la trasmit-tanza termica e le dimensioni su-perficiali dei componenti edilizi sono mostrati nella Tabella 2.

Tabella 2. Caratteristiche dell'involucro edilizio Struttura Spessore_(m) Trasmittanza termica

(W/m2_K) Superficie (m2₎ Muratura 1,0 - 2,6 0,63 - 0,26 3’685 Finestre 0,003 5,8 74 Pavimento 0,22 3,6 2’205 Copertura 0,20 0,93 2’417

L’energia, il fabbisogno di poten-za ed il comportamento ‘free-floa-ting’ della basilica sono simula-ti usimula-tilizzando il software Energy Plus, uno dei programmi di simula-zione energetica più utilizzati e testati.

In Fig.5.1 viene mostrato il model-lo di simulazione della basilica. I dati orari climatici utilizzati per la simulazione corrispondono ad un tipico anno meteorologico (TMY) per la posizione di riferi-mento (L’Aquila).

Le ipotesi considerate nell’anali-si sono elencate di seguito:

• profilo di utilizzo della Chie-sa: una celebrazione al giorno dal Lunedi al Sabato e due celebrazio-ni di Domecelebrazio-nica. Orario di apertura dalle 9 alle 19 tutti i giorni. Ogni celebrazione dura un’ora.

• set-point di temperatura di ri-scaldamento dell’aria a 1 m dal piano di calpestio (nel caso di sistemi ad aria): 15 °C [1], corri-Fig.5.1. Modello di simulazione

della Basilica di Collemaggio

5.2 ANALISI ENERGETICA IN

REGIME DINAMICO

La potenza termica massima di pro-getto richiesta in condizioni di giorno è stato valutata pari a circa 500 kW.

In condizioni di ‘free-floating’, la temperatura dell’aria interna della chiesa durante la stagio-ne fredda (ottobre-aprile) è sta-ta valusta-tasta-ta tra 7,4 °C e 12,4 °C, con un valore medio di 9,9 ° C; analogamente, le temperature delle superfici interne sono state cal-colate e caratterizzate da valori simili a quelli dell’aria interna. Purtroppo, in passato, prima del terremoto, non sono state misurate le temperature interne, pertanto nessun dato sperimentale è dispo-nibile; una campagna di monitorag-gio è prevista durante i lavori di restauro.

Le diverse strategie di riscal-damento possibili sono descritte di seguito e viene effettuato per ogni scenario il calcolo del fab-bisogno di energia primaria.

spondente ad una temperatura media dell’aria all’interno della chiesa pari a 20 °C e una temperatura mas-sima a livello uguale a 25 °C [2]. • Periodo di riscaldamento: dal 15 ottobre - 15 aprile (180 giorni). • I carichi elettrici interni sono stati definiti come trascurabili, mentre il numero di persone pre-senti durante le celebrazioni è pari a 500 ed è trascurabile du-rante il tempo rimanente.

• Rapporto ricambio d’aria: consi-derando le poche aperture dell’in-volucro edilizio e il volume d’a-ria enorme, si considera un valore medio pari a 0,1 vol/ora a causa di ventilazione naturale, durante i periodi di apertura. Durante le celebrazioni, in presenza del si-stema ad aria, è stato considerato un tasso di ricambio d’aria di 0,5 vol/ora con riferimento alla norma italiana UNI 10339.

Secondo le simulazioni energeti-che, il fabbisogno di energia ter-mica teorica considerando il ri-scaldamento continuo è pari a 562 MWh / anno.

Grafico 1. Confronto fabbisogno mensile

1.http://www.conservationphysics.org/mm/ larsen/larsen.pdf

2.M.J. Varas-Muriel et al., MONITORING THE THERMAL–HYGROMETRIC CONDITIONS INDU-CED BY TRADITIONAL HEATING SYSTEMS IN A HISTORIC SPANISH CHURCH (12TH–16TH C), ENERGY AND BUILDINGS, Volume 75, June 2014, Pages 119-132

5.3 FABBISOGNO DI ENERGIA

Di seguito saranno analizzati dif-ferenti fabbisogni energetici ri-guardanti alcune tipologie di si-stemi di riscaldamento adottabili per la Basilica di Collemaggio. SISTEMA AD ARIA CON FUNZIONAMENTO GIORNALIERO

Si è ipotizzato che il sistema sia realizzato da un generatore d’aria calda alimentato a gas naturale, con una portata pari a 35.000 m3 / h (di cui 15’000 m3 / h di aria fresca durante la celebrazione e il 90% di ricircolo durante le ore rimanenti), una potenza nominale di 500 kW e una temperatura dell’a-ria in uscita da 35 °C a 40 °C. La portata e la potenza sono proget-tate considerando che ogni mattina l’impianto di riscaldamento deve aumentare la temperatura dell’a-ria interna dal valore presente al valore di set-point, compensando l’energia termica assorbita dal-la mole dell’edificio. Il sistema è quindi acceso un’ora prima dell’a-pertura della chiesa alla massi-ma potenza e portata, ed esse si adeguano al carico termico durante il giorno e viene disattivato al momento della chiusura, con un pe-riodo di funzionamento giornaliero totale di 11 ore. L’installazio-ne del sistema L’installazio-nella Basilica di Collemaggio richiederà la realiz-zazione di almeno quattro grandi griglie nelle pareti esterne della costruzione da collegare con con-dotti d’aria.

Il fabbisogno di energia primaria totale con il sistema ad aria con il funzionamento diurno, pari a 410 MWh / anno, è stato calcola-to considerando un rendimencalcola-to com-plessivo del sistema pari al 95% ed una sua potenza elettrica di 4.5 kW [UNI TS 11300-2].

SISTEMA AD ARIA CON FUNZIONAMENTO ON-DEMAND

Si è ipotizzato che il sistema sia realizzato da un generatore d’a-ria calda alimentato a gas natura-le, con una portata pari a 55000 m3 / h (di cui 15’000 m3 / h di aria fresca durante la celebrazio-ne e il 90% di ricircolo durante le ore rimanenti), una potenza no-minale di 700 kW e una temperatura dell’aria in uscita da 35 °C a 40 °C. La portata e la potenza sono progettati considerando che pri-ma di ogni ricorrenza l’impianto di riscaldamento debba aumentare rapidamente la temperatura dell’a-ria interna dal valore presente al valore di set-point, compensando l’energia termica assorbita dal-la mole dell’edificio. Il sistema è quindi attivato mezz’ora prima di ogni ricorrenza alla massima po-tenza e portata, ed esse si ade-guano al carico termico durante la celebrazione, e viene disattivato al termine della manifestazione. Anche in questo caso l’installa-zione del sistema nella Basilica di Collemaggio richiederà la realiz-zazione di almeno quattro grandi griglie nelle pareti esterne della costruzione, da collegare con con-dotti d’aria.

Il fabbisogno di energia primaria totale con il sistema ad aria con il funzionamento on-demand, pari a 145 MWh / anno, è stato calcola-to considerando un rendimencalcola-to com-plessivo del sistema pari al 95% ed una sua potenza elettrica di 7 kW [UNI TS 11300- 2].

RISCALDAMENTO A RAGGI INFRAROSSI A GAS

Secondo tale progetto, sono stati considerati 20 riscaldatori a rag-gi infrarossi a gas con una potenza nominale di 19 kW ciascuno (380 kW in totale), omogeneamente distri-buiti lungo la chiesa e installati ad 8 metri sopra il livello del pavimento. Il sistema è quindi ac-ceso durante ogni ricorrenza a po-tenza nominale e viene disattivato al termine della manifestazione. Il fabbisogno totale di energia primaria con riscaldamento a in-frarossi a gas, pari a 78 MWh / anno, è stato calcolato senza con-siderare eventuali ausiliari elet-trici.

RISCALDAMENTO A RAGGI INFRAROSSI ELETTRICO

Nella Basilica di Collemaggio, per effettuare la valutazione di ener-gia è stata assunta la stessa po-tenza progettata per stufe a gas e la domanda totale di energia pri-maria, pari a 168,5 MWh / anno, è stata calcolata considerando un fattore di conversione di energia primaria di 2.16.

Nella pagina a fianco è riportato un grafico riassuntivo riguardan-te il consumo di energia primaria delle varie tipologie dei sistemi di riscaldamento analizzati.

Si può notare che il sistema ad aria con funzionamento giornaliero ha un consumo molto alto rispetto agli altri sistemi. Il sistema di riscaldamento a raggi infrarossi alimentato a gas invece presenta un consumo minore.

Nel capitoli seguente sarà illu-strata la progettazione del si-stema di riscaldamento idronico su panca e saranno analizzati i ri-sultati ottenuti.

Grafico 1. Confronto del consumo di energia primaria tra le differenti tipologie di rascaldamento

sistema ad aria

giornaliero sistema ad aria on demand sistema raggi IR a gas sistema raggi IR elettrico

In questo capitolo sono descritti i principali step di progettazio-ne del sistema di riscaldamento su panca, dal dimensionamento preli-minare alla progettazione defini-tiva

DIMENSIONAMENTO E PROGETTAZIO-NE DEL SISTEMA DI RISCALDAMENTO IDRONICO AD ALTO RENDIMENTO SU PANCA

Considerando che il riscaldamen-to su panca richiede basse tempe-rature di superficie, la soluzio-ne è completamente compatibile con i sistemi idronici accoppiati con generatori ad alta efficienza, qua-li le pompe di calore. Nel presen-te lavoro viene così proposto e progettato un sistema di riscalda-mento idronico ad alto rendiriscalda-mento su panca, specificamente progettato per la Basilica di Collemaggio. In tale configurazione tecnica, l’acqua viene riscaldata a 35-40 °C dal generatore, che è una pompa di calore acqua-acqua e viene di-stribuito attraverso piccoli tubi alle panche e pedane riscaldate. I banchi integrano così pannelli radianti idronici, posizionati in modo da massimizzare la superficie di riscaldamento e il fattore di vista rispetto alle persone sedute. Nel caso studio specifico, è stata effettuata una verifica dettaglia-ta dei vincoli esistenti allo sco-po di garantire la fattibilità di tali soluzioni.

5.4 DESCRIZIONE DEL SISTEMA

DI RISCALDAMENTO SU PANCA

DIMENSIONAMENTO PRELIMINARE DEL SISTEMA LOCALE

Sono stati considerati alcuni aspetti nella definizione dei si-stemi tecnici per la Basilica di Collemaggio. Innanzitutto, i due elementi fondamentali considera-ti congiuntamente nella modella-zione e nella progettamodella-zione sono, rispettivamente, il comportamento igro-termico dinamico dell’edificio e il comfort percepito da persone che parteciperanno alle celebra-zioni religiose.

Più in particolare, l’approccio metodologico per la progettazione del sistema di riscaldamento loca-le (panca) e la verifica dei suoi effetti in termini di comfort ter-mico sono i seguenti:

1. definizione delle caratteristi-che geometricaratteristi-che (dimensioni) del banco e degli elementi radianti inseriti in esso (posizioni nel-lo spazio e dimensioni); in detta-glio, è stata progettata una panca di legno a 5 posti con dimensioni In particolare, si è attestato che

i diversi gruppi di panche posso-no essere collegate idraulicamente con la pompa di calore posta in un vano tecnico per mezzo di tubi di rame, che verranno posizionati a pavimento sollevando e poi ripo-sizionamento poche righe di pia-strelle, senza alterare lo stato di conservazione del pavimento. Poi, è stato dimostrato che posso-no essere realizzati pozzi verti-cali nella parte posteriore della chiesa, permettendo di utilizza-re una pompa di caloutilizza-re geotermica con alti COP (‘coefficiente di pre-stazione’). Uno schema generale di lavoro del sistema è proposto in Fig.5.3.

Fig.5.3 - Schema generale del sistema di riscaldamento idronico ad alto rendimento su panca

Fig.5.4 - secondo componente: inginocchiatoio

pari a (b × h × l) 276 × 80 × 70 centimetri al fine di integrare le superfici idroniche radianti posi-zionate dietro la schiena del ban-co e sotto il sedile in base alla disposizione mostrata in Fig. 5.6. La disposizione delle superfici ra-dianti è decisa per massimizzare l’effetto radiante e la vista del pavimento. La superficie radiante totale per la panca a 5 posti nella configurazione proposta è approssi-mativamente pari a 1,8 m2.

2. calcolo dei fattori di vista delle superfici radianti rispetto alle parti del corpo di una perso-na seduta sulla panca;

3. calcolo dell’aumento della tem-peratura locale dell’aria per ef-fetto convettivo dell’impianto di riscaldamento.

Il vincolo, per quanto riguarda la possibilità di vedere il pavimento sotto le panche dagli occupanti, pone il problema di una riduzio-ne del livello di comfort intorno alla zona del piede.

Questa limitazione è considerata accettabile, tuttavia, per

quan-to riguarda la percezione generale di comfort dagli occupanti (corpo medio) e il valore estetico della visione del pavimento, che altri-menti verrebbe compromessa da al-tri tipi di soluzioni di sistema.