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Settore: Ricerca Titolo: STUDIO DI SISTEMI DI RISCALDAMENTO PER EDIFICI STORICI. Responsabile Prof. Giuseppe Grazzini Collaborazione con: Servizio Fabbrica Palazzo Vecchio e Chiese, Soprintendenza Speciale per il Polo Museale Fiorentino, Ufficio Cerimoniale di Palazzo Vecchio Soggetti coinvolti Arch.PhD Carla Balocco, Prof. Giuseppe Grazzini Finanziamenti Convenzione FIORENTINAGAS Il crescente interesse per la valorizzazione del vasto patrimonio storico-artistico italiano e la necessità di una migliore conservazione delle opere richiedono la valutazione dell’impiego di idonei impianti di climatizzazione. Ciò è ancora più importante quando lo stesso edificio è di per sé opera d’arte, come nel caso del Salone dei Cinquecento. Lo scopo fondamentale di questa ricerca è quello di studiare e verificare una soluzione impiantistica per il riscaldamento invernale del Salone che prevede una pedana che contiene gli impianti appoggiata al pavimento esistente. Essa deve essere, per quanto possibile, modulare: modularità intesa sia in senso costruttivo che funzionale. La necessità della climatizzazione del Salone si lega all’utilizzo, anche di rappresentanza, che se ne fa dello stesso così come al risparmio ed uso razionale dell’energia. Data la struttura architettonica del Salone e la mancanza di spazi e vani in cui alloggiare gli impianti, la soluzione proposta è basata sulla minima incidenza e sul concetto di reversibilità, cioè la possibilità di ripristinare le condizioni attuali nel modo più rapido possibile. Questo sistema, che rientra nella soluzione di pannelli radianti sottili poggianti su di un isolante, protetti superiormente da una lastra metallica per permettere di appoggiare le sedie ed il transito delle persone, è stato studiato con una simulazione in transitorio. Il sistema, che prevede il posizionamento di un modulo di 12 piattaforme radianti amovibili sulle quali verrebbero fissate 33 sedie, è stato studiato con un programma di simulazione CFD-FEM agli elementi finiti. La simulazione è stata condotta su modelli 2D e 3D in condizioni di regime transitorio, considerando per il clima dell’ambiente esterno un giorno tipo invernale con cielo coperto ed in particolare l’ora del giorno in cui la temperatura dell’aria esterna è 0°C con 56% di umidità relativa, irraggiamento solare totale su verticale pari a 56 W/m2 e velocità del vento di 2 m/s. I risultati della simulazione mostrano che l’impianto proposto non comporta considerevoli gradienti verticali di temperatura specie nella zona del controsoffitto.

Analizzando il campo di velocità si è in presenza di vortici laminari molto ampi che non producono importanti zone di ristagno. Molto probabilmente ciò è dovuto alla presenza dei moti convettivi indotti dalle griglie di apertura e dalla ventilazione naturale del volume sottotetto che tendono a smorzare gli effetti dovuti alla stratificazione termica verso controsoffitto e quindi a stabilizzare il profilo di temperatura. L’impianto proposto permette di ottenere un microambiente a temperatura mediamente costante direttamente nell’intorno delle pedane radianti ove verrebbero poste le sedie per i visitatori: non si rileva un’apprezzabile differenza di temperatura tra la base della pedana fino ad una quota di circa 3 metri. Questo sistema assicura la climatizzazione invernale in una zona limitata del Salone, ma non il completo benessere per gli occupanti, tuttavia garantisce le condizioni necessarie alla tutela delle opere. Riferimenti: C.Balocco, G.Grazzini, Una proposta per la climatizzazione ambientale del Salone De’ Cinquecento, Atti del Convegno AICARR, Padova giugno 2006 C.Balocco, G.Grazzini, Plant refurbishment in historical buildings turned into museum, Energy and Buildings, vol.39 (6) pp.693-701, June 2007. http://www.comune.firenze.it/servizi_pubblici/arte/fabbrica.htm http://www.polomuseale.firenze.it/ http://www.comune.firenze.it/comune/organi/cerimoniale.htm

Fig I Campo di velocità per ambiente senza piastre radianti ( gennaio, ore 13)

FIG II Distribuzione della temperatura per il solo volume interno con piastre radianti (gennaio, ore 13)

FIG. III Campo di velocità per il solo volume interno con piastre radianti (gennaio, ore 13)

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Settore: Ricerca Titolo: TECNICHE DI ESPOSIZIONE E ANALISI DEL MICROCLIMA A GARANZIA DELLE CONDIZIONI TERMOIGROMETRICHE ED ILLUMINOTECNICHE PER LA CONSERVAZIONE DI ARAZZI. Responsabile Arch.PhD Carla Balocco Collaborazione con: Servizio Fabbrica Palazzo Vecchio e Chiese, Soprintendenza Speciale per il Polo Museale Fiorentino, Opificio delle Pietre Dure e Laboratori di Restauro di Firenze, Azienda Glasbau-Hahn-Liz Faller di Francoforte Soggetti coinvolti Arch.PhD Carla Balocco Finanziamenti Finanziato da “Ricerca Scientifica di Ateneo EX60% “ Questa ricerca ha come principale obiettivo quello di trovare una soluzione o un mix di soluzioni ottimali per la riqualificazione di un ambiente destinato a museo ed in particolare utilizzato per l’esposizione di arazzi. Ciò comporta l’analisi di soluzioni tecniche di esposizione, lo studio del microclima interno che garantisca le condizioni termoigrometriche ed illuminotecniche al fine della conservazione e salvaguardia di queste opere che richiedono precisi requisiti per la loro conservazione ed esposizione. L’analisi è stata condotta per mezzo di una simulazione in transitorio con strumenti di tipo CFD-FEM per lo studio del campo di velocità e di temperatura all’interno della Sala dei Duecento di Palazzo Vecchio. La simulazione è stata condotta durante il periodo estivo e con i sistemi a ventilconvettori esistenti, in funzionamento. Questo studio ha permesso di conoscere le condizioni termoigrometriche dell’ambiente interno, il campo e la distribuzione della velocità dell’aria interna per pensare ad una proposta di ricollocazione dei dieci Arazzi storici Attualmente si sta conducendo una simulazione con RADIANCE per descrivere il campo luminoso interno prodotto dalla commistione di luce naturale ed artificiale, la cui conoscenza risulta fondamentale per un eventuale progetto espositivo di tessuti così particolari e grandi in termini di superficie. Gli arazzi sono composti di seta, lana e filati d’oro e d’argento ed hanno dimensioni notevoli che raggiungono i 5 metri per 4. Questo studio permetterebbe di trovare una soluzione alternativa alle vetrine a controllo microclimatico che sulla base delle analisi condotte in collaborazione con l’Azienda Glasbau-Hann hanno mostrato principali problemi dovuti al tipo di installazione a parete con eventuale inclinazione e quindi di tipo strutturale per i carichi in gioco.

Riferimenti: C.Balocco Thermal and velocity field analysis inside an historical building. The Hall of Two Hundred case study, Atti dell’International Conference & Workshop on Comsol Multiphysics, Milano 14 novembre 2006. C.Balocco, Daily natural heat convection in Historical Hall, in press on the Journal of Cultural Heritage. C.Balocco Thermal and velocity field analysis inside an historical building. The Hall of Two Hundred case study, Atti dell’International Conference & Workshop on Comsol Multiphysics, Milano 14 novembre 2006. http://www.glasbau-hahn.de/deutsch/index.php http://www.opificio.arti.beniculturali.it/ http://www.comune.firenze.it/servizi_pubblici/arte/fabbrica.htm http://www.polomuseale.firenze.it/

Campo di velocità e temperatura Sala dei Duecento – 21 luglio ore 15

Temperatura, flusso convettivo, campo di velocità-linee di flusso - Sala dei Duecento - 21 luglio ore 15

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Settore: Ricerca Titolo: L’ILLUMINAZIONE DEGLI AMBIENTI INTERNI DI EDIFICI STORICI E DI MUSEI Responsabile Arch.PhD Carla Balocco Collaborazione con: Soprintendenza Speciale per il Polo Museale Fiorentino, Palagio di Parte Guelfa di Firenze, GOPPION S.p.A. e Laboratori Museotecnici di GOPPION di Milano. Soggetti coinvolti Arch.PhD Carla Balocco Finanziamenti Autofinanziamento Il tema dell’illuminazione degli ambienti interni degli edifici storici e degli ambienti museali fa parte di una ricerca molto ampia che riguarda lo studio di soluzioni ottimali per la commistione della luce artificiale con quella naturale a garanzia del benessere visivo, della qualità dell’illuminazione, della sicurezza e tutela delle opere d’arte, analizzando le possibili soluzioni che mirino anche al contenimento dei consumi energetici. In questa ottica è stata prestata particolare attenzione al sistema di illuminazione che si deve integrare con il sistema di condizionamento ambientale. All’interno dello spazio di un edificio storico ed in particolare di un museo, la luce rappresenta uno dei fondamentali veicoli di percezione e comunicazione nei confronti del pubblico fruitore. Questo aspetto è ancor più importante, quando il museo è di per sé un’opera d’arte essendo collocato all’interno di edifici di pregio storico ed artistico. La funzione primaria della luce è quindi quella di valorizzare ed esaltare i contenuti ed il valore simbolico delle opere, fornire una chiave di lettura delle stesse senza stravolgerne la natura e le caratteristiche peculiari. Le scelte illuminotecniche caratterizzanti uno spazio espositivo scaturiscono quindi dall’analisi di molteplici aspetti, la cui soluzione non può essere codificata in maniera univoca, in quanto parte integrante del progetto di allestimento e museografia. Oggetto di studio è l’analisi del progetto illuminotecnico realizzato per le sale dedicate all’allestimento degli abiti funebri di Cosimo I De’ Medici, Don Garzia ed Eleonora di Toledo, presso la Galleria del Costume di Palazzo Pitti a Firenze. La simulazione in transitorio ottenuta con algoritmi di tipo radiosity e ray-tracing ha mostrato che l’illuminamento medio raggiunto nelle condizioni di ambiente illuminato, indirettamente attraverso la luce proveniente dalle vetrine con sistemi a fibre ottiche, e direttamente con lampade fluorescenti ma con totale schermatura delle finestre per

bloccare l’ingresso della luce naturale, è di 50 lux. Questo valore conferma il limite previsto dalle normative per ambienti museali per la conservazione preventiva di opere caratterizzate da un’elevata fotosensibilità. L’ambiente presenta una distribuzione uniforme della luce, sottolineando così un clima di raccolta percezione dell’insieme. Le zone dove il colore della luce tende ad essere più scuro, indicative di bassi valori di illuminamento (compresi entro i 15-25 lux), denotano la presenza di ombre portate sul pavimento, dovute alle teche. L’utilizzo del sistema a fibre ottiche interno alle teche, produce delle zone in cui l’illuminamento massimo entra nel campo di 50-60 lux. Inoltre le particolari caratteristiche ottiche dei vetri delle teche ed il sistema di illuminazione interno a fibra ottica, garantiscono l’assenza di riflessioni multiple fra le superfici trasparenti, che andrebbero a modificare la distribuzione delle luce voluta in ambiente. Non si sono rilevati contrasti o squilibri fra le luminanze medie dovute alle teche rispetto a quelle dell’intorno. Ciò si connette all’uniformità dell’illuminamento proveniente dal soffitto; la luce viene distribuita e diffusa dalla forma a volta del soffitto diminuendo in modo graduale nel senso verticale (dal cornicione al pavimento) ed orizzontale (all’altezza delle volte), minimizzando così gli effetti di disuniformità. Infatti gli “accenti” che si creano sulle volte in prossimità delle quali sono ubicati i corpi illuminanti, non producono fastidiose fratture visive tra le volte stesse e le superfici circostanti. L’effetto del controllo della luce ottenuto con il progetto illuminotecnico realizzato per la sala si riproduce anche sulle pareti laterali. Su queste ultime si riscontra un valore di illuminamento medio che dal soffitto al pavimento passa da 125 lux a 50 lux. L’apparato didascalico e grafico posto su pannelli addossati alle pareti fruiscono unicamente dell’illuminazione generale d’ambiente (indiretta), essendo privi di un’illuminazione dedicata. In questo modo viene ribadita la funzione comunicativa di primo piano affidata ai manufatti contenuti all’interno delle vetrine espositive. L’analisi illuminotecnica conferma la qualità del progetto di illuminazione artificiale presente nella sala della Galleria del Costume. La scelta di esporre i manufatti all’interno di teche con fibre ottiche ed elevate prestazioni di tenuta è da rintracciare nella natura del contesto museale. Le vetrine rappresentano l’unica e valida soluzione attraverso la quale è possibile garantire ottimali condizioni di conservazione all’interno del microambiente, che contiene i manufatti (in termini di umidità relativa, temperatura e purezza dell’aria), ed accettabili condizioni di benessere per il macroambiente in cui si trovano i visitatori, disaccoppiandone il comportamento. La progettazione e controllo della luce previsto per l’esposizione degli abiti medicei, risulta efficace anche dal punto di vista comunicativo e della percezione visiva: l’atmosfera creata presenta caratteri distinti rispetto al resto del percorso museale della Galleria, e genera un gradevole impatto emotivo sull’osservatore. Inoltre il progetto illuminotecnico si integra con quello di allestimento e museografia in quanto la luce viene utilizzata per valorizzare il delicato intervento di restauro e recupero degli abiti medicei che rappresenta contemporaneamente un evento importante per la storia del costume. A questo ambito di ricerca appartiene la proposta di un progetto di illuminazione naturale per la Biblioteca di Palagio di Parte Guelfa a Firenze. Tale soluzione progettuale si è basata su di un approccio qualitativo e quantitativo per la progettazione illuminotecnica destinata ad ambienti contenuti in edifici storici ed in particolare destinati a biblioteche. Il progetto riguarda quindi una soluzione nuova di arredamento ed architettura degli interni connessa a soluzioni illuminotecniche volte a massimizzare l’utilizzo della luce naturale riducendo quindi l’impiego di lampade artificiali. Ciò ha significato l’impiego di sistemi di controllo della radiazione solare attraverso l’uso efficiente del lucernario presente nell’edificio integrato all’applicazione di sistemi avanzati di illuminamento come scaffalature di luce, sistemi di reindirizzamento della luce e tubi di luce, senza modificare minimamente l’architettura complessiva e la struttura dell’edificio. Il progetto di

illuminazione naturale dell’ambiente della biblioteca si è quindi basato sulla verifica e sulla valutazione di come le scelte per diversi tipi di sistemi di illuminazione naturale, per differenti tipi di trattamenti superficiali (di carattere ottico e fotometrico) degli arredi e della superficie del piano soppalcato interno, potessero modificare il clima luminoso interno. Le soluzioni proposte infatti sono state dettate dalla necessità di aumentare i livelli di illuminamento anche nei punti più distanti dalle zone con aperture trasparenti garantendo una buona uniformità ed equilibrio delle luminanze. La simulazione che ha impiegato algoritmi radiosità e ray-tracing, è stata condotta per tutto l’arco dell’anno e per le ore di occupazione dell’ambiente, modellando diverse condizioni di cielo per tener conto delle situazioni più critiche. Ciò ha consentito di utilizzare come parametro di controllo per la distribuzione della luce interna l’andamento del fattore di resa del contrasto e la distribuzione del gradiente di luminanza e di radianza. Riferimenti: C.Balocco, V.Zini, Analisi del progetto illuminotecnico di Palazzo Pitti, Rivista LUCE, Anno 45, numero 5 settembre-ottobre 2006, pp.66-73, Mancosu Ed., Milano. C.Balocco, R.Calzolari, Natural light design for an ancient building: a case study, accepted for a publication by Journal of Cultural Heritage. http://www.goppion.com/ http://solaglobal.com/ http://www.polomuseale.firenze.it/ http://www.comune.firenze.it/comune/biblioteche/ppguelfa.htm

The new design proposal for the Palagio di Parte Guelfa Library- rendering of the internal view: solar tube1; 2 redirecting and diffusing false ceiling; 3 light shelf.

Luminance distribution simulation – new design proposal for the Palagio di Parte Guelfa Library, 9.00 a.m., 21 December; A and C virtual sensors for design proposal.

Particolare della vetrina – Sale Medicee della Galleria del Costume P.zzo Pitti Firenze (fonte GOPPION)

Particolare della vetrina – Sale Medicee della Galleria del Costume P.zzo Pitti Firenze

Simulazione ambiente luminoso con illuminazione di base e di accento delle Sale Medicee – distribuzione dell’illuminamento

Simulazione ambiente luminoso con illuminazione di base e di accento delle Sale Medicee – distribuzione della luminanza

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Settore: Ricerca Titolo: STUDI SUI SISTEMI DI RAFFRESCAMENTO NATURALE IN EDIFICI STORICI Responsabile Arch.PhD Carla Balocco Collaborazione con: Soprintendenza Speciale per il Polo Museale Fiorentino, Istituto Statale di Arte di Firenze ISA, Centro di Ricerca Interuniversitario di Aerodinamica delle Costruzioni ed Ingegneria del Vento CRIACV di Prato, Dipartimento di Restauro e Conservazione dei Beni Architettonici della Facoltà di Architettura di Firenze Soggetti coinvolti Arch.PhD Carla Balocco, Prof. Giuseppe Grazzini, Prof. Gianni Bartoli, Ing. Lorenzo Procino, Ing. Alessandra Borsani, Arch. Giovanni Minatoli, Prof. Fausta Farneti Finanziamenti Autofinanziamento Questo studio riguarda il sistema di raffrescamento naturale, recentemente individuato nell’ala sinistra del complesso di Palazzo Pitti. In merito si sono condotti sia studi storici che analisi sulla cartografia esistente e su testi di riferimento, nonché campagne di rilievi diretti, che solo oggi abbiamo potuto concludere per mezzo dell’utilizzazione di un laser-scanner e misurazioni su campo. Si è trattato quindi, una volta restituiti e verificati tutti i rilievi, di costruire un modello reale dell’intero Palazzo con la parte sinistra dettagliata e scomponibile e quindi di simularne l’interazione con i moti dell’aria in differenti condizioni all’interno della galleria del vento. Il modello reale in scala 1:200 è stato realizzato dai Professori dell’Istituto Statale di Arte di Firenze (ISA). La corretta quantificazione delle azioni e degli effetti del vento sulle strutture è un'operazione complessa che chiede il ricorso a tecniche di tipo sperimentale, con prove in galleria del vento su modelli. Le gallerie del vento a Strato Limite Sviluppato, come quella del CRIACV, si differenziano da quelle per ricerche aeronautiche o automobilistiche, per la possibilità di riprodurre al loro interno lo strato limite atmosferico nel quale gli edifici e le costruzioni in genere si trovano immerse. Il plastico del palazzo comprende il giardino circostante, la Piazza Pitti sul prospetto principale e l’area urbana descritta dalle prime due strade parallele rispetto alla stessa piazza, nonché i corpi di fabbrica degli edifici limitrofi. E’ stato condotto un numero molto ampio di prove di tipo qualitativo, utilizzando tecniche a tracciante con ghiaccio secco ed azoto, sia in assenza di vento che in presenza di vento, sul modello. I risultati ottenuti hanno rivelato la funzione di "condizionamento" estivo di alcuni ambienti del palazzo.

Riferimenti: C.Balocco, G.Bartoli, F.Farneti, G.Grazzini, G.Minutoli, Architecture and modelling working methods usable in research for a proper comprehension of historical architecture. Natural ventilation systems in Pitti Palace International Forum UNESCO University Heritage Firenze, 11-17 settembre 2006, Posters Session. C.Balocco, G.Bartoli, F.Farneti, G.Grazzini, G.Minutoli, Natural ventilation systems in Pitti Palace. Boundary-layer wind tunnel tests for the analysis of wind speed profiles and turbolence phenomena, Atti del World Renewable Energy Congress WREC IX, Firenze 19-25 agosto 2006 http://www.polomuseale.firenze.it/ http://www.isa.firenze.it/isa/index.asp http://windlab.ing.unifi.it/default_1.htm http://www.unifi.it/dires/

Plastico in scala 1:200 del Palazzo Pitti comprensivo del Giardino di Boboli

Risultati delle misure condotte in Galleria del Vento sul sistema di refrigerazione dei Quartieri Estivi di P.zzo Pitti

Settore: Ricerca Titolo: TECNICHE DI VENTILAZIONE NATURALE IN EDIFICI STORICI Responsabile Arch.PhD Carla Balocco Collaborazione con: Soprintendenza Beni Culturali ed Ambientali di Palermo, Biblioteca di Casa Professa Palazzo Marchesi di Palermo, DREAM Dipartimento di Ricerche Energetiche ed Ambientali della Facoltà di Ingegneria di Palermo Soggetti coinvolti Arch.PhD Carla Balocco, Prof.Franco Rizzo, Ing. Gianluca Scaccianoce, Finanziamenti Autofinanziamento Questo tema di ricerca concerne il sistema di raffrescamento naturale presente in un edificio di Palermo, ubicato nei pressi di “Casa Professa”, cioè Palazzo Marchesi sede della Biblioteca Comunale. E’ stata svolta una campagna di misure dirette nell’ambiente interno del palazzo durante gli ultimi dieci giorni di giugno 2006. Grazie alla collaborazione con il Prof. Franco Rizzo e l’Ing. Gianluca Scaccianoce del Dipartimento di Ricerche Energetiche ed Ambientali, DREAM, della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Palermo, si è potuto disporre di tutta la strumentazione necessaria. E’ stato quindi possibile realizzare una campagna di misurazioni in continuo conducendo anche un rilievo diretto di tipo energetico sull’edificio (rilievo delle caratteristiche termofisiche e strutturali). I dati di temperatura (massima, minima e media), velocità del vento e direzione prevalente, irraggiamento solare (diretto, diffuso e totale) dell’ambiente esterno, dello stesso periodo di rilievo, sono stati reperiti dalla stazione meteorologica della Facoltà di Ingegneria. I dati sperimentali sono stati messi a confronto con quelli ottenuti da una modellazione tridimensionale e in condizioni transitorie del sistema studiato con uno strumento di analisi CFD-FEM. Riferimenti: C. Balocco, Numerical simulation for the study of natural ventilation systems and indoor conservation conditions of historical buildings. A case study in Palermo, submitted to Journal of Cultural Heritage. C.Balocco, Investigation on Natural Ventilation Techniques in Historical Buildings. A Case Study in Palermo, Atti dell’International Conference on Comsol Multiphysics, Grenoble 23-24 October 2007, France. http://www.regione.sicilia.it/beniculturali/sopripa/ http://www.dream.unipa.it/dream/ http://librarsi.comune.palermo.it/librarsi/export/bibliocomunale/biblioteca/index.html

Distribuzione della temperatura all’uscita del condotto interno – Palazzo Marchesi Palermo 28 giugno ore 15.

Distribuzione della temperatura all’uscita del condotto interno – Palazzo Marchesi Palermo 28 giugno ore 15- rappresentazione 2D.

Campo di velocità interno Palazzo Marchesi – linee di flusso - Palermo 28 giugno ore 15.