Studio CFD della Galleria Paleontologica – MNHN
Studio CFD della Galleria Paleontologica - MNHN
Anno
2025
Cliente
Museo di Storia Naturale di Parigi
Posizione
Parigi
Tipologia
HVAC
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La missione svolta da EOLIOS ingénierie: competenza nella simulazione CFD e comfort aeraulico negli edifici storici
Gli ingegneri di EOLIOS sono esperti di comfort termo-aerotermico in grandi edifici storici.
L’esperienza diEOLIOS nella simulazione CFD(Computational Fluid Dynamics) e nell’ottimizzazione degli ambienti interni ha svolto un ruolo fondamentale nell’analisi e nel miglioramento del comfort di climatizzazione della Galleria Paleontologica del Muséum National d’Histoire Naturelle. La nostra esperienza ci ha permesso di caratterizzare con precisione il comportamento termo-aerodinamico di questo eccezionale edificio storico e di proporre soluzioni concrete di ottimizzazione, conciliando il comfort degli occupanti, la conservazione delle collezioni e il rispetto dei vincoli architettonici.
EOLIOS è leader nella simulazione CFD applicata agli edifici storici e alle principali strutture culturali. I nostri studi si basano sul feedback di campagne di misurazione in condizioni reali e su una riconosciuta esperienza nella modellazione di volumi complessi con elevate sfide termiche.
Galleria Paleontologica MNHN: le sfide del comfort termico in un edificio storico
Grandi volumi, facciate storiche, visitatori e collezioni: perché il comfort dell'aria condizionata è una sfida ingegneristica a tutti gli effetti
Gli edifici culturali e del patrimonio culturale rappresentano una sfida particolare in termini di comfort dell’aria. La Galleria Paleontologica del Muséum National d’Histoire Naturelle ne è un esempio perfetto, con i suoi soffitti alti, i volumi aperti su più livelli e le ampie superfici vetrate.
Queste caratteristiche generano fenomeni amplificati rispetto agli edifici standard, in particolare una marcata stratificazione termica in cui l’aria calda si accumula in altezza, creando differenze verticali di diversi gradi. Inoltre, vi sono forti vincoli di natura patrimoniale, in quanto le facciate classificate limitano il numero di interventi che possono essere effettuati sull’involucro dell’edificio, così come l’occupazione doppia e variabile tra membri fluttuanti del pubblico e personale permanente, che hanno esigenze diverse.
Infine, alla necessità di conservare le collezioni si aggiunge quella di garantire il comfort umano, che richiede condizioni ambientali stabili. Queste particolarità rendono il comfort aeraulico in questo tipo di edifici un problema ingegneristico complesso in cui gli approcci empirici mostrano rapidamente i loro limiti.
La CFD nei musei: visualizzare e controllare i flussi d'aria dove i metodi convenzionali raggiungono i loro limiti
Data questa complessità, la CFD(Computational Fluid Dynamics) sembra essere lo strumento più adatto per diversi motivi complementari. A differenza dei metodi semplificati che calcolano le portate globali senza rappresentare la realtà fisica locale, la CFD offre una visione tridimensionale completa che permette di visualizzare con precisione la traiettoria delle vene d’aria, le zone di ricircolo e i gradienti di temperatura, individuando così i punti critici di disagio che gli approcci globali non riescono ad affrontare.
Inoltre, consente di testare virtualmente molteplici scenari – confronto esistente/progettato, modifiche alla geometria, variazioni dei parametri di controllo – senza alcun costo materiale o interruzione del funzionamento, evitando costosi errori di progettazione che devono essere corretti a posteriori. La CFD integra inoltre in modo nativo gli accoppiamenti termici tra radiazione solare, conduzione e convezione, che sono essenziali per valutare l’effettivo comfort termico percepito dagli occupanti.
Infine, le visualizzazioni colorate che produce sono uno strumento efficace per la comunicazione tra le parti interessate al progetto, facilitando la comprensione condivisa dei problemi e la giustificazione tecnica delle scelte. Nel contesto di questa fase DCE, è quindi un prerequisito essenziale per qualsiasi intervento sul sistema di ventilazione.
La simulazione CFD non si limita all’analisi dei flussi d’aria esistenti: è innanzitutto uno strumento per ottimizzare il comfort. Modellando accuratamente le condizioni vissute dagli occupanti – velocità dell’aria, temperatura ambiente, stratificazione termica – è possibileidentificare le aree di disagio e testare le soluzioni correttive prima di intraprendere qualsiasi intervento. In aree pubbliche come la Galleria Paleontologica, dove vivono fianco a fianco visitatori occasionali e personale fisso, questa capacità di anticipare e perfezionare le condizioni ambientali è un vantaggio decisivo per orientare le scelte progettuali verso soluzioni efficienti e sostenibili.
Comprendere, analizzare e ottimizzare: i tre pilastri dello studio termo-aerodinamico CFD al MNHN
Lo studio CFD realizzato da EOLIOS sulla Galleria Paleontologica ha tre obiettivi complementari.
Il primo mira a comprendere i fenomeni termo-aerodinamici acquisendo una conoscenza dettagliata del comportamento dell’aria sia nella configurazione esistente che in quella prevista dopo i lavori: caratterizzando i campi di velocità e le distribuzioni di temperatura, identificando i meccanismi di trasferimento dominanti a seconda delle zone ed evidenziando le interazioni tra i diversi livelli dell ‘edificio.
Il secondo obiettivo è analizzare l’efficienza del sistema di ventilazione valutandone le prestazioni tecniche: verificare l’equilibrio tra i flussi d’aria di mandata e di ritorno e l’assenza di cortocircuiti, quantificare i tassi di ricambio d’aria effettivi rispetto ai valori teorici, individuare eventuali malfunzionamenti e confrontare l’efficienza energetica delle diverse configurazioni simulate.
Il terzo obiettivo èidentificare i rischi di disagio per fornire elementi concreti per il benessere degli occupanti: mappare le zone critiche in cui le velocità superano 0,4 m/s o le temperature non rientrano nell’intervallo 18-25°C, valutare il comfort termico complessivo, formulare raccomandazioni tecniche mirate e dare priorità agli interventi in base all’impatto previsto e alla fattibilità.
Questi tre temi strutturano tutto il lavoro presentato in questa sintesi e riflettono il desiderio di fornire al proprietario del progetto una visione chiara, fondata e operativa dei problemi di flusso d’aria della Galleria.
Il metodo EOLIOS: dal campo alla simulazione, un approccio radicato nella realtà
Misurazioni in situ e prove di fumo: la verifica sul campo come base essenziale
È stata effettuata una verifica approfondita direttamente nella Galleria Paleontologica per caratterizzare i fenomeni termo-aerodinamici nelle reali condizioni di funzionamento. Sono state effettuate campagne di misurazione a tutti i livelli per quantificare le velocità dell’aria, le temperature e le portate ai terminali del sistema di ventilazione, fornendo uno stato iniziale affidabile e rappresentativo del funzionamento dell’installazione. Sono state inoltre effettuate visualizzazioni qualitative delle traiettorie del flusso d’aria per identificare zone di ricircolo, correnti parassite e malfunzionamenti nei sistemi di diffusione esistenti.
Oltre a raccogliere dati, questa verifica in loco è una fase fondamentale per comprendere il comportamento effettivo dell’edificio nel suo ambiente storico, spesso complesso e vincolato. Permette di confrontare i diagrammi teorici e i piani HVAC esistenti con la realtà sul campo e di tenere conto degli effetti delle pratiche operative, dei vincoli architettonici, delle condizioni meteorologiche e dell’uso effettivo degli spazi, tutti elementi che raramente sono documentati in modo esaustivo nei fascicoli tecnici. Questa conoscenza dettagliata del sito è essenziale per evitare ipotesi di modellazione semplificate e lontane dal funzionamento reale.
Le osservazioni sul campo risultanti dalla verifica hanno costituito una base essenziale per alimentare, calibrare e convalidare il modello digitale CFD. Garantiscono la coerenza tra la simulazione e il comportamento reale del sistema, rafforzando l’affidabilità dei risultati e la pertinenza delle soluzioni proposte. L’audit è quindi un prerequisito essenziale per qualsiasi approccio all’analisi e all’ottimizzazione sostenibile del comfort dell’aria in questo eccezionale edificio.
50 milioni di elementi fluidi: un modello CFD 3D ad alta fedeltà della Galleria di Paleontologia
La modellazione CFD 3D sviluppata da EOLIOS si basa su una rigorosa base geometrica, elaborata a partire dai piani di costruzione esistenti e integrata dalle letture e dalle osservazioni effettuate durante laverifica in loco. Questa fase è fondamentale: la qualità e la rappresentatività del modello influiscono direttamente sulla rilevanza dei risultati ottenuti.
Sulla base dei dati raccolti, EOLIOS ha sviluppato un modello dettagliato che integra la geometria completa della Galleria Paleontologica su tutti i suoi livelli – dal livello del giardino al tetto – così come tutte le apparecchiature che influenzano l’aeraulica del sito: le unità di trattamento dell’aria e la loro rete di distribuzione, le griglie di mandata e di ripresa, le fonti di calore interne e solari, nonché tutti gli elementi architettonici che guidano i flussi, come le vetrine espositive, i divisori e le balaustre dei corridoi.
Il livello di dettaglio geometrico è scelto con cura per rappresentare fedelmente gli elementi che hanno un’influenza significativa sui campi di velocità e temperatura, razionalizzando al contempo i dettagli secondari. Con una maglia contenente circa 50 milioni di elementi fluidi, questo equilibrio tra precisione e semplificazione garantisce la solidità numerica delle simulazioni e risultati che possono essere utilizzati direttamente peranalisi e supporto alle decisioni.
Calibrazione digitale: quando la simulazione incontra la realtà edilizia
In pratica, l’approccio CFD fa parte di un processo iterativo strutturato in diverse fasi successive: costruzione del modello geometrico, definizione delle condizioni al contorno e delle proprietà termofisiche, risoluzione numerica eanalisi dettagliata dei campi di flusso e temperatura. Questo ciclo è completato da una fase di calibrazione basata su misurazioni sul campo, prima di avviare iterazioni dedicate allo studio di configurazioni migliorative.
La fase di calibrazione è una fase chiave dell’approccio CFD: garantisce la coerenza tra i risultati della simulazione e il comportamento effettivo del sistema. In concreto, si tratta di regolare le condizioni al contorno e le ipotesi di modellazione – flussi d’aria di mandata e di ritorno, temperature superficiali delle pareti e delle finestre, condizioni meteorologiche, guadagno solare, fonti di calore interne legate all’occupazione e alle attrezzature – al fine di ottenere una corrispondenza soddisfacente tra i valori calcolati e le misurazioni effettuate in loco durante la verifica.
Una volta che il modello è stato calibrato e convalidato, con la convergenza dei calcoli attestata da un criterio di residuo inferiore a 10-⁴, diventa uno strumento predittivo affidabile per studiare l’impatto di varie modifiche – cambiamenti nelle portate, nella geometria dei diffusori, nella configurazione del sistema di ventilazione – e analizzare le nuove dinamiche di distribuzione del flusso e del calore a supporto delle decisioni tecniche.
Risultati della CFD: mappatura dei flussi d'aria e delle temperature in condizioni invernali ed estive
Estate, inverno, ondate di calore: simulazione di scenari critici per prevedere il comfort dei visitatori
La simulazione digitale CFD permette di riprodurre virtualmente il comportamento dell’aria all’interno della Galerie de Paléontologie in condizioni realistiche, senza dover aspettare le stagioni interessate o effettuare costose e lunghe misurazioni in situ. Definendo condizioni al contorno rappresentative basate sui dati meteorologici della stazione più vicina – temperature esterne, irraggiamento solare, funzionamento dei sistemi di ventilazione – è possibile esplorare il comportamento dell’edificio in situazioni diverse come le ondate di calore estive o il freddo estremo invernale.
Sono stati studiati due scenari critici per definire l’effettivo raggio d’azione della galleria:
- Lo scenario invernale, corrispondente alle condizioni esterne più fredde, viene utilizzato per verificare che il sistema di riscaldamento a ventilazione sia in grado di mantenere un ambiente confortevole per i visitatori e il personale, limitando al contempo gli sprechi energetici associati all’eccessiva stratificazione dell’ aria calda in quota.
- L’obiettivo dello scenario estivo, rappresentativo di periodi di grande caldo, è quello di valutare la capacità del sistema di raffreddamento di combinare gli elevati guadagni solari che penetrano attraverso i tetti e le finestre in vetro e di garantire condizioni sopportabili nonostante l’elevato carico termico.
Questo duplice approccio fornisce al cliente un quadro completo delle prestazioni previste per l’impianto, evidenziando non solo il comportamento medio, ma anche le situazioni potenzialmente sfavorevoli che devono essere affrontate in via prioritaria.
Isosuperfici, disegni sezionali, zone di disagio: leggere i risultati della CFD per prendere decisioni migliori
Le simulazioni producono mappe tridimensionali delle variabili fisiche studiate ( velocità dell’aria, temperatura ) che permettono di individuare visivamente le zone conformi e quelle che presentano rischi di disagio. Queste rappresentazioni, sotto forma diisosuperfici colorate o disegni in sezione, sono uno strumento di comunicazione diretta tra ingegneri e decisori.
L’analisi dei campi di velocità rivela un modello di flusso eterogeneo a seconda dei livelli e delle zone considerate. In generale, si osservano basse velocità nei grandi volumi della galleria, che favoriscono la calma e un’atmosfera stabile, ma ci sono alcune aree insolite in cui l’accelerazione dell’aria crea il rischio di correnti d’aria percepibili.
In estate si manifesta una dinamica particolare: l’aria fredda immessa a livello del pavimento tende a distribuirsi in un foglio prima di salire lungo le pareti, creando correnti ascensionali che a volte risultano fastidiose quando passano attraverso le griglie di mandata. Questo fenomeno, tipico dei volumi climatizzati con scarso ricambio d’aria, contrasta con il comportamento invernale, dove l’aria calda sale in modo naturale e più uniforme.
In inverno, la stratificazione termica agisce a favore del comfort: l’aria calda si accumula nella parte superiore (sotto la volta e il tetto) mentre la zona occupata rimane in un ambiente temperato. La configurazione prevista riduce questa differenza verticale rispetto alla situazione esistente, migliorando l’efficienza energetica e l’uniformità del comfort.
Il confronto tra i due scenari fornisce una valutazione complessivamente positiva della configurazione: mentre il funzionamento invernale appare soddisfacente, con condizioni di comfort ben controllate a tutti i livelli, lo scenario estivo rivela alcuni limiti legati all’inerzia termica dell’edificio e alle dimensioni delle sue superfici vetrate. Queste osservazioni, oggettivamente evidenziate dalla simulazione, giustificano le ulteriori proposte di ottimizzazione illustrate nella sezione seguente.
Aree di ottimizzazione: ugelli direzionali, regolazione in base all'occupazione e ridistribuzione dei flussi
Le simulazioni ci hanno permesso di individuare una serie di leve concrete di ottimizzazione per migliorare il comfort termo-aria della Galleria Paleontologica.
L’installazione dielementi di diffusione intermedi assicura una distribuzione più uniforme dei flussi d’aria prima che raggiungano gli spazi occupati, limitando le zone di disagio legate all’eccessiva velocità dell’aria.
La sostituzione delle apparecchiature di diffusione esistenti con modelli a orientamento regolabile offre una flessibilità stagionale, consentendo di regolare la distribuzione dell’aria in base alle condizioni esterne.
I soffitti alti e la comunicazione tra i livelli della galleria hanno portato a consigliare un’aspirazione controllata delle parti superiori dei volumi. Questo principio, che favorisce la miscelazione degli strati d’aria senza disturbare la zona occupata, si rivela particolarmente efficace nel periodo intermedio, quando la ventilazione naturale assistita può essere sufficiente per mantenere condizioni di comfort soddisfacenti.
Infine, regolare i tassi di ventilazione in base al numero effettivo di visitatori del museo aiuta a ottimizzare il rapporto tra comfort e consumo energetico, evitando sia il sottodimensionamento che la sovraventilazione, che può portare a correnti d’aria indesiderate.
La sostituzione delle apparecchiature di trasmissione esistenti con modelli con orientamento regolabile offrirebbe anche una certa flessibilità di utilizzo a seconda della stagione.
Verifica sul campo e simulazione digitale: la CFD come strumento decisionale per la ristrutturazione senza modifiche
Questo studio CFD condotto da EOLIOS sulla Galleria Paleontologica del MNHN ha utilizzato la simulazione digitale per oggettivare il comportamento termo-aerodinamico di un complesso edificio storico. Combinando un’approfondita verifica sul campo con una modellazione ad alta fedeltà, l’analisi ha evidenziato le dinamiche del flusso d’aria e le distribuzioni termiche caratteristiche di questo edificio, sia in condizioni invernali cheestive.
I risultati ottenuti forniscono al proprietario del progetto spunti di riflessione, identificando le aree che richiedono particolare attenzione e suggerendo possibili aree di miglioramento, e illustrano il contributo della simulazione come strumento decisionale: offre una visione anticipata del funzionamento dell’impianto progettato, aiutando a garantire le scelte progettuali e a chiarire i compromessi tra prestazioni, beni e investimenti.
L'esperienza di EOLIOS ingénierie nella risoluzione dei problemi termo-aria negli edifici storici
Raccomandazioni personalizzate per ogni progetto
Grazie alla sua esperienza nella simulazione numerica applicata a grandi edifici storici, EOLIOS è stata in grado di proporre una serie di soluzioni di ottimizzazione concrete e prioritarie per migliorare il comfort termo-aerodinamico della Galleria Paleontologica del MNHN. Sono state individuate leve direttamente azionabili, come l’installazione dielementi di diffusione intermedia, la sostituzione delle apparecchiature esistenti con modelli a orientamento regolabile o la regolazione del flusso indicizzata al numero effettivo di visitatori. Sono state studiate anche misure aggiuntive, come lo spazzamento controllato delle parti superiori dei volumi, per periodi intermedi.
Le soluzioni selezionate sono state rigorosamente simulate e valutate, permettendoci di quantificare con precisione il loro impatto sul comfort dei visitatori e del personale, oltre che sul consumo energetico della struttura. Questo approccio iterativo, che combina un audit sul campo e una modellazione ad alta fedeltà, garantisce che le raccomandazioni siano ancorate alla realtà dell’edificio e possano essere utilizzate direttamente nella fase DCE.
Grazie a questo studio, EOLIOS è stata in grado di oggettivare le sfide aerauliche della Galleria e di chiarire i compromessi tra prestazioni, beni e investimenti. Questo approccio aiuta a garantire le scelte progettuali fatte, fornendo al cliente una visione anticipata e affidabile del funzionamento dell’installazione prevista, al servizio di un patrimonio eccezionale aperto a tutti.
Video riassuntivo dello studio
Sintesi dello studio
Lo studio condotto da EOLIOS ingénierie si concentra sull’ottimizzazione termo-aria della Galleria Paleontologica del Muséum National d’Histoire Naturelle, utilizzando simulazioni CFD(Computational Fluid Dynamics). Questo approccio permette di visualizzare e analizzare la distribuzione dell’aria e i campi di temperatura all’interno di questo eccezionale edificio storico, distribuito su più livelli, dal giardino al tetto. Il video immerge lo spettatore in un modello 3D ad alta fedeltà della galleria, mostrando le isosuperfici di temperatura caratteristiche dei diversi scenari simulati – inverno ed estate – e rivelando le dinamiche della stratificazione termica e le zone di disagio individuate. EOLIOS ha combinato un’approfondita verifica sul campo, che ha incluso campagne di misurazione in situ e prove di fumo, con una modellazione digitale calibrata che ha coinvolto quasi 50 milioni di elementi fluidi, garantendo una rappresentazione fedele dei fenomeni reali. Questo approccio ha permesso di individuare diverse leve concrete di ottimizzazione – elementi di diffusione intermedi, apparecchiature con orientamento regolabile, regolazione per frequentazione – per il comfort dei visitatori e del personale, rispettando al contempo i vincoli patrimoniali di questo edificio protetto. Questo studio dimostra il contributo decisivo della simulazione CFD come strumento decisionale per la ristrutturazione e l’ottimizzazione di importanti strutture del patrimonio culturale.
Video riassuntivo della missione
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