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PAVIMENTO RADIANTE ‘SLIM’ PER IL RISPARMIO ENERGETICO

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La produzione industriale e le misurazioni in opera
Chiesa di San Vito alla Rivera a L’Aquila
Risultati raggiunti
Rilievi
Simulazioni

Le caratteristiche qualificanti della tecnologia innovativa sviluppata nell’ambito del progetto “Pavimento radiante slim per il risparmio energetico” sono il frutto di un lavoro sinergico condotto da quattro principali stakeholders: Winvent, società del Gruppo Innowatio, in collaborazione con YouSave (la ESCO del Gruppo specializzata in investimenti per il risparmio energetico), Termigas (società operante nell’installazione di impianti ad alta tecnologia) ed ITC – CNR (Istituto Nazionale Tecnologie e Costruzioni).

Un percorso virtuoso scandito da tre fasi di sviluppo: la ricerca teorica e le simulazioni di comportamento, la produzione industriale e le misurazioni in opera attraverso impianti pilota, ed infine l’applicazione in chiave di testing all’interno di un edificio storico, la Chiesa di San Vito alla Rivera, nel centro de L’Aquila. L’obiettivo è la valutazione energetica e il comfort di un edificio storico per la progettazione di un impianto di climatizzazione radiante innovativo.

La sinergia fra i soggetti coinvolti ha permesso di ottenere il supporto del Ministero dell’Ambiente, della Tutela del Mare e del Territorio (Bando per il finanziamento di progetti di ricerca finalizzati ad interventi di efficienza energetica e all’utilizzo di fonti di energia rinnovabile in aree urbane, G.U.R.I. 297del 22/12/2009), aggiudicandosi il co-finanziamento collegato al bando del 2010 per “Ricerche finalizzate a interventi per l’efficienza energetica e all’utilizzo delle fonti di energia rinnovabile in aree urbane”.

La produzione industriale e le misurazioni in opera
Gli studi condotti si sono concretizzati nell’industrializzazione da parte di Winvent del modulo radiante TermogridTM, componente base per la realizzazione di sistemi evoluti di climatizzazione degli edifici, sia in riscaldamento che in raffrescamento. Un modulo radiante prefabbricato e ribassato, con spessore di soli 11 mm. I moduli, di dimensione di circa 1 x 1 m, vengono tra loro accostati e connessi, secondo lo schema progettuale esecutivo, ottimizzando così tempi e costi d’installazione e attivazione, e minimizzando, nel caso di interventi di riqualificazione, onerosi ed invasivi interventi di demolizione.

Questo sistema si presta ad essere inserito nella soluzione stratigrafica di tutti gli ambiti di applicazione edilizia: dagli edifici esistenti di tipo residenziale, commerciale e industriale, agli spazi collettivi di grande dimensione e fruizione, come centri commerciali e scuole; fino alle nuove progettazioni, nelle quali le istanze di efficienza energetica sono oggi imprescindibili.
«In sede di progettazione, la definizione di soluzioni ad hoc riesce a sfruttare efficacemente la flessibilità applicativa di TermogridTM – afferma Pietro Rota, direttore generale di Winvent – La sua caratteristica sezione ribassata, che agevola la diffusione del calore, e lo spessore ridotto di tutto il pacchetto stratigrafico rendono ad esempio possibile il funzionamento degli apparati di generazione a temperature particolarmente moderate, nell’ottica di una progettazione di sistema integrata ed intelligente».
La geometria ottimizzata del condotto consente l’inserimento di TermogridTM all’interno di massetti di spessore complessivo ridotto, anche a partire da soli 35 mm complessivi, contro i 55-60 mm delle più evolute soluzioni attuali. Due centimetri che fanno una notevole differenza in termini di prestazioni ed efficienza energetica, di fattibilità e di ottimizzazione del comfort termico degli ambienti.

Risulta molto interessante, dunque, approfondire la fase di applicazione in chiave di testing all’interno di un edificio storico come la Chiesa di San Vito alla Rivera.
Di seguito, infatti, vedremo nello specifico i vari passaggi dello sviluppo dell’attività di ricerca di questo caso, nell’ambito della valutazione energetica e del comfort di edifici storici, iniziato all’interno dell’ITC circa dieci anni fa, e descritto in una scheda redatta dai ricercatori Alessandro Bortolin, Gianluca Cadelano, Giovanni Ferrarini, Paolo Bison, Ermanno Grinzato e Aurelio Petracca del CNR, Istituto per le Tecnologie della Costruzione.

Le conoscenze acquisite consentono oggi di coprire l’intero ciclo necessario alla realizzazione di sistemi di climatizzazione avanzati, di soddisfare le necessità di ambienti di una certa complessità e soprattutto di produrre un consistente risparmio energetico.
L’esperienza maturata è stata messa a frutto nell’ambito del progetto finanziato dal Ministero dell’Ambiente per lo sviluppo di un innovativo sistema di condizionamento a pavimento radiante.
Il vantaggio principale dei sistemi radianti è quello di poter generare dei volumi climatizzati, localizzati unicamente nelle aree d’interesse, riducendo quindi l’energia richiesta in confronto a quella che sarebbe necessaria per trattare l’intero volume. Pertanto, il problema fondamentale consiste nel definire i confini di tali aree nelle quali le condizioni di benessere devono essere misurate accuratamente e localmente.

Chiesa di San Vito alla Rivera a L’Aquila
Le particolari necessità degli edifici di culto, ovvero il loro utilizzo saltuario e limitato nel tempo, hanno evidenziato un secondo punto chiave della tecnologia proposta e cioè la capacità di soddisfare il carico termico esclusivamente per il tempo necessario, con conseguente ulteriore risparmio energetico.

Il progetto, che è di particolare interesse per motivi tecnici, storico-artistici e sociali, legati alla ricostruzione dell’area dell’Aquila colpita dal terremoto del 2009, si propone di dimostrare in un caso reale le grandi potenzialità della soluzione proposta.
Rappresenta un prodotto utilizzabile, industrializzabile ed esportabile dal caso studio in esame
ad altri edifici di grandi dimensioni come: scuole, ospedali, aeroporti, stabilimenti industriali, non escludendo ovviamente l’edilizia residenziale.
Una soluzione innovativa per molteplici aspetti:
a) per il componente modulare che costituisce l’elemento di scambio termico;
b) per il sistema brevettato di rilevamento delle condizioni di benessere ambientale locale;
c) per il nuovo approccio alla progettazione di soluzioni specifiche.

L’intero programma si articola attraverso
1) Definizione dei criteri di risparmio energetico applicabili al particolare caso, in termini di riduzione del volume e del tempo in cui è necessaria la climatizzazione.
2) Caratterizzazione delle proprietà termofisiche dei reali materiali con la misura delle seguenti grandezze: conducibilità termica, calore specifico, massa volumica, diffusività termica e inerzia termica (effusività). Quindi, anche grandezze specifiche del regime termico transitorio, per la misura delle quali sono stati utilizzati apparati messi a punto specificatamente per i materiali da costruzione.
3a) Rilievo delle condizioni reali dell’edificio come trasmittanza termica locale, coefficienti di scambio superficiale, temperatura di parete, temperatura radiante. Le misure sono eseguite da un innovativo e brevettato sistema ottico, chiamato aIRview, che consente accuratezza, tempi di acquisizione e completezza non realizzabili con i sistemi convenzionali (che sono comunque utilizzati per confronto): come ordine di grandezza citiamo il rilievo della temperatura superficiale dell’edificio in esame (375 m2) eseguito in 20 minuti, producendo automaticamente una mappa di misure con risoluzione termica di 0.1 °C ogni centimetro quadrato.
3b) In corrispondenza di ogni punto di temperatura rilevato sulla parete sono state misurate le condizioni dell’aria interna, al di fuori dello strato limite. Tali misure comprendono: temperatura, velocità, umidità relativa e specifica.
4) Utilizzo dei rilievi e caratterizzazione dei materiali per realizzare delle simulazioni dei carichi termici e delle condizioni termo-fluido-dinamiche che determinano il benessere ambientale. L’uso integrato dei rilievi e delle simulazioni matematiche consente di espandere le condizioni rilevate di solito in due condizioni stagionali tipiche (inverno, estate) a qualsiasi altra condizione stagionale o di utilizzo e di considerare varie opzioni dei carichi termici, ivi compresi i carichi antropici. Fondamentale risulta l’utilizzo di dati reali come input ai modelli di calcolo ed il confronto degli output con altri dati rilevati, in modo da sintonizzare al meglio i parametri di calcolo. Questo approccio rende molto più affidabili i risultati delle simulazioni.
5) Analisi della struttura dell’edificio, realizzazione di un modello tridimensionale dello stesso, geo-referenziazione e produzione dei risultati in una vista sintetica proiettata virtualmente sulle superfici e negli ambienti in esame; in questo modo si raggiunge un elevatissimo grado di comprensione dei risultati e si facilita l’interscambio con la committenza ed altri specialisti.
6) Realizzazione del progetto esecutivo dell’intervento di riqualificazione energetica che impieghi i risultati dei precedenti passi.
7) Verifica sperimentale delle condizioni di benessere localizzato prodotte dall’intervento, con i principali obiettivi di ottimizzarne il funzionamento, verificare la correttezza della realizzazione ed eventualmente identificare punti difettosi.

Infine, va detto che la robotizzazione e l’automatizzazione del sistema sviluppato per il rilievo delle condizioni interne (aIRview) consente di mantenere i costi di questo approccio contenuti e sicuramente concorrenziali quando si ha a che fare con edifici di una certa complessità, come in tutti i casi che coinvolgono il nostro patrimonio storico-artistico.

Risultati raggiunti
Nel seguito si sintetizzano i principali risultati raggiunti nel corso del progetto, ricordando che l’obiettivo finale consiste nella progettazione dell’impianto.
La facciata del monumento identificato per la sperimentazione viene mostrata visibile e nell’infrarosso.

Fig. 1 – Facciata della chiesa di San Vito alla Rivera, (a) visibile e (b) infrarosso.

Rilievi
Nella Figura 2a si vede il risultato della rilevazione ambientale compiuta nel marzo del 2012 con il sistema aIRview (vedi Figura 2b).
L’immagine è in realtà costituita dall’integrazione di centinaia di termogrammi, corrispondenti a molte decine di aree inquadrate attraverso un dispositivo automatico, che produce in circa un minuto la composizione, corretta geometricamente e radiometricamente, di una superficie pari a circa 30 m2. Come si nota, la risoluzione è molto elevata e consente di studiare i minimi gradienti termici tipici di questi ambienti, che sarebbero totalmente coperti dai disturbi della misura se si usassero sistemi convenzionali. In particolare, si è in grado di valutare gli effetti delle aperture (porte e finestre) studiandone la tenuta all’aria.

Fig. 2aRilievo delle temperature superficiali sulle pareti interne sulle pareti Sud-Ovest e Nord-Ovest in condizioni passive di marzo 2012 con il metodo “aIRview”.

 Fig. 2bImmagine del sistema aIRview, composto da camera IR robotizzata e una griglia di speciali mire.

Nella stessa campagna sperimentale sono state rilevate anche le condizioni microclimatiche interne, nuovamente con il sistema aIRview. La Figura 3 mostra per esempio la velocità dell’aria su un piano posto a circa 1.5 m dalla parete. Queste rilevazioni sono state eseguite per tutte le pareti, anche in modo automatico su superfici critiche, per tutta la durata della notte.

Fig. 3Rilievo delle temperature superficiali sulle pareti e Sud-Est e Sud-Ovest interne in condizioni passive il marzo 2012 con il metodo aIRview; Viene anche visualizzata la mappa della velocità dell’aria rilevata con il medesimo metodo fuori dallo strato limite della parete.

Inoltre, sulla facciata in pietra sono state eseguite misure di flusso termico e di temperatura per determinarne il comportamento nell’arco di due giorni. Infine, sono state eseguite indagini endoscopiche per valutare la stratigrafia della muratura e prelievi di materiale per valutarne il contenuto di umidità.

Simulazioni
Per estendere i risultati di queste rilevazioni ad un contesto temporale che copra tutti i periodi dell’anno e le varie condizioni di utilizzo degli ambienti, si sono utilizzati vari codici di calcolo ben collaudati, confrontando inoltre i risultati con quelli di codici analoghi, al fine di raggiungere la massima affidabilità. Tuttavia, un punto estremamente importante per il raggiungimento di risultati utili è la correttezza dei dati utilizzati come input, sia dal punto di vista dei materiali che delle cosiddette condizioni al contorno, cioè le temperature di parete.

Le caratterizzazioni dei materiali in accordo al punto 4 dello schema generale sono state eseguite su dei campioni di pietra, mattone, intonaco e malta, prelevati in loco. Per le condizioni al contorno si usano appunto i rilievi descritti in precedenza.

Una parte del progetto si è quindi concentrata sull’analisi del comportamento termo­energetico degli ambienti al fine di supportare con dati utili la definizione e corretta progettazione di un sistema di climatizzazione.

I software utilizzati per la modellazione energetica sono TRNSYS e EnergyPlus. Nello studio sono state simulate differenti condizioni ambientali e di utilizzo in modo da fornire ai progettisti di un eventuale impianto di climatizzazione le condizioni di carico massimo e medio necessarie al mantenimento della temperatura e dell’umidità relativa dell’aria sia in condizioni estive che invernali (vedi Figura 4).

In particolare si sono valutati gli scambi di aria con l’esterno in termini di ricambi per ora. Tale analisi è iniziata simulando gli andamenti delle grandezze ambientali interne in assenza di un sistema di climatizzazione per poterle confrontare con i valori misurati.

Fig.4 Simulazione del carico termico in riscaldamento ottenuta con i due codici di calcolo TRNSYS ed Energy Plus. In ascissa sono indicate le ore nel corso di un anno, in ordinata la potenza necessaria al mantenimento delle condizioni di temperatura e umidità relativa.

Infine, l’integrazione con la fluidodinamica computazionale ha contribuito a determinare i flussi d’aria che si verificano negli ambienti e che determinano in modo consistente sia i flussi di calore convettivi, che le condizioni di benessere locale. E’ stato così possibile studiare sia l’eventuale efficacia di un controllo climatico tramite una gestione oculata delle aperture, sia l’effetto dovuto alle infiltrazioni d’aria attraverso infissi non a perfetta tenuta. Le successive figure ottenute, la prima sperimentalmente sulla parete, le altre a seguito della simulazione numerica in aria, consentono di verificare la congruità tra temperature e andamenti spaziali misurati e simulati.

Fig. 5aRilievo delle temperature superficiali sulla parete Sud-Ovest lato interno in condizioni passive il marzo 2012 con il metodo aIRview; Le temperature sono espresse in gradi centigradi secondo la scala di destra, le dimensioni riportate sul bordo sinistro e in basso sono in centimetri.

  Fig. 5b Calcolo delle temperature dell’aria su tre sezioni verticali all’interno dell’edificio, in condizioni passive il marzo 2012 ottenute con il codice DesignBuilder a partire dai dati rilevati sperimentalmente.

 

Fig. 5c – Calcolo delle temperature dell’aria su tre sezioni orizzontali all’interno dell’edificio, in condizioni passive il marzo 2012 ottenute con il codice DesignBuilder a partire dai dati rilevati sperimentalmente.

Le figure seguenti, infine, mostrano i risultati della simulazione temofluidodinamica per la determinazione del campo di moto interno. Anche in questo caso il confronto con i risultati sperimentali ottenuti con il sistema aIRview è molto soddisfacente.

Fig. 6a Calcolo della velocità dell’aria su tre sezioni verticali all’interno dell’edificio, in condizioni passive il marzo 2012 ottenute con il codice DesignBuilder a partire dai dati rilevati sperimentalmente.

  Fig. 6b – Calcolo della velocità dell’aria su tre sezioni orizzontali all’interno dell’edificio, in condizioni passive il marzo 2012 ottenute con il codice DesignBuilder a partire dai dati rilevati sperimentalmente.

Concludendo, questi risultati indicano il processo seguito per arrivare al progetto di un innovativo sistema di climatizzazione, che potrebbe essere immediatamente realizzato e verificato utilizzando i medesimi strumenti.

 

Elena Guzzonato
redazione@energheiamagazine.eu

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