raffrescamento passivo e controllo della ventilazione in ambienti confinati

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1 raffrescamento passivo e controllo della ventilazione in ambienti confinati 1 l espressione raffrescamento passivo si riferisce a tutti quei processi di dispersione del calore che avvengono naturalmente senza l adozione di strumenti meccanici o il consumo di energia l utilizzo generalizzato di impianti di condizionamento comporta consumi consistenti di energia e contribuisce in modo rilevante all aumento dell inquinamento atmosferico il recupero delle tecniche naturali di raffrescamento può essere, nella maggior parte dei casi, sufficiente alle nostre latitudini a ristabilire le condizioni di confort all interno degli edifici, limitando consumi energetici ed emissioni inquinanti

2 per il raffrescamento passivo si possono usare soluzioni isolanti o di schermatura solare (cfr. lezioni specifiche) o disperdere il calore favorendo la ventilazione naturale il movimento dell aria e il suo rinnovamento, che sono tanto maggiori quanto più consistenti sono le differenze di temperatura e pressione dell aria tra interno ed esterno, sottraggono calore alle strutture con cui vengono a contatto soprattutto per convezione termica favorire il passaggio dell aria comporta un rinnovamento della sua purezza e della sua freschezza, favorirne il movimento incrementa la sua velocità e gli effetti refrigerativi in presenza di masse d acqua vicine agli edifici, aiutare il passaggio e il movimento d aria può essere utile anche per l umidificazione degli ambienti (cfr. specifica lezione) 2 quando due masse d aria hanno differenti temperature anche le loro densità e pressioni sono differenti e questo dà origine ad un movimento dell aria stessa dalla zona a più alta densità (più fredda) verso quella a densità più bassa nelle situazioni in cui l aria interna dell edificio sia più calda di quella esterna e sia richiesto un raffrescamento, l effetto naturale di spostamento dell aria appena descritto può essere usato per introdurre aria più fresca all interno dell edificio ed espellere quella calda

3 EFFETTO CAMINO E CAMINO SOLARE si può ricorrere all effetto camino fornendo l edificio di aperture sia in basso che alla sua sommità l aria calda salirà naturalmente e uscirà dalle aperture in alto mentre l aria fredda entrerà attraverso le aperture alla base la ventilazione con effetto camino, non è molto alta e di norma non si superano i 4-6 rinnovamenti orari dell aria in un ambiente; tuttavia il sistema è molto utile per evitare stratificazioni d aria calda nella parte alta degli ambienti interni e questo è importante soprattutto nel caso di spazi con una grande connessione verticale per una buona estrazione dell aria è utile che la temperatura esterna non sia troppo alta; più precisamente occorre che vi siano differenze piuttosto rilevanti tra l aria calda nella parte più alta dell edificio e l aria esterna per aumentare queste differenze, si può usare il camino solare 3 il funzionamento di questo sistema è basato sulla realizzazione di una camera d aria sul tetto costituita da un captatore, di colore scuro, coperto da un vetro l aria che si trova nel camino solare, scaldandosi, diminuisce la sua densità e richiama aria nuova dalle aperture inferiori

4 Michael Hopkins e Partners, Inland Revenue building a Nottingham come camino solare verticale è usata una torretta costruita con blocchi di vetro e contenente i vani scala in essa viene aspirata l aria dagli uffici che vi si affacciano tramite porte che, all occorrenza, saranno tenute aperte sopra la torretta un meccanismo idraulico consente di muovere la sua copertura in basso e in alto regolando il flusso d aria Mario Cucinella, Uffici Guzzini a Recanati 4

5 SERBATOI DI ARIA FRESCA così come è possibile, con le camere solari, creare zone d aria calda per facilitare il fluire dell aria stessa, è possibile anche creare, con lo stesso scopo, sul lato nord dell edificio, zone (tasche, rientri) che costituiscano serbatoi di aria fresca per creare zone di aria fresca possono essere molto importanti elementi quali l acqua e la vegetazione, la creazione di patti, atrii, porticati, zone d ombre in genere Sotomayor, Asiain, Lainez. Centro ATAM, Maizena del Aljarafe, 1991 l edificio è a un piano d altezza ed è organizzato intorno ad un atrio/ingresso centrale più alto che funziona come camino di ventilazione con due corti a patio laterali che creano sacche di aria fresca per aumentare il tiraggio per incrementare il raffrescamento dei patii sono presenti porticati per l ombreggiamento, fontane, piante rampicanti 5

6 6 TORRI DEL VENTO movimenti d aria inversi, rispetto a quelli dei camini solari, sono quelli che si hanno con l uso delle tradizionali torri del vento sistemi di questo tipo vengono attualmente ancora impiegati nell architettura di alcuni paesi: un larghissimo uso ne è stato fatto ad esempio nell Università del Quatar progettata da Kamal el Kafrawi

7 Kamal el Kafrawi. Università del Quatar 7

8 8 il funzionamento delle torri del vento consiste nella creazione di elementi che si elevano ad altezze superiori a quelle di copertura, con aperture opportunamente orientate, atte alla captazione del vento, questo (se la spinta è sufficiente) tenderà a scendere per rinfrescare l edificio; tale operazione può essere aiutata da un umidificazione delle pareti delle torri stesse che farà diminuire la temperatura e aumentare il peso dell aria in entrata favorendone l ingresso nell edificio alle nostre latitudini e con le nostre condizioni di vento il sistema delle torri del vento può non essere facilmente applicabile

9 Bill Dunster, Bedzen, Londra,

10 EFFETTO DELLA PRESSIONE è possibile poi accrescere la dispersione di calore da parte di un edificio usando l effetto della pressione esercitata su di esso dal vento quando una corrente d aria colpisce un edificio si ottiene un alta pressione sul lato maggiormente esposto ed una bassa pressione su quello protetto, dalla parte opposta il movimento dell aria si verifica, attraverso l edificio, per il passaggio dalle zone di alta pressione a quelle di bassa pressione occorre che siano predisposte però opportune aperture, la posizione e dimensione delle quali determina la velocità e la direzione del movimento d aria negli alloggi in generale: la velocità è maggiore quando le aperture attraverso le quali l aria lascia l edificio sono più grandi di quelle d entrata le quali, a loro volta, devono avere dimensioni adeguate la migliore distribuzione d aria per tutto l edificio si ottiene con aperture disposte diagonalmente e quando non vi siano troppi ostacoli negli alloggi la ventilazione massima dovrebbe essere fornita durante il giorno nelle aree maggiormente occupate dai residenti e ad altezze opportune per il soddisfacimento del loro benessere fisico il flusso d aria fresca deve lambire anche le parti più massicce e pesanti dell edificio in modo che esse disperdano il calore accumulato possono poi essere creati deflettori esterni così da indurre cambiamenti di pressione alle aperture e poter modificare le condizioni di ventilazione nel modo desiderato 10

11 CRITERI DI DIMENSIONAMENTO E DISTRIBUZIONE DELLE APERTURE è possibile ricavare la seguente espressione approssimata per la quantità d aria che, in un dato intervallo di tempo fluisce attraverso un apertura W= 4382 [0,425Af 0,1126Af 2 + 0,017 Af 3 ][0,383 (t/60) 0,027 (t/60) 2 + 0,0038 (t/60) 3 ][3,71 ( t/25) 5,27 ( t/25) 2 + 2,56 ( t/25) 3 ]h 0,5 con: W = quantità d aria che fluisce attraverso l apertura (mc) t = tempo di apertura della finestra (min) Af = superficie della finestra (mq) t = differenza di temperatura tra l aria interna ed esterna ( C) h = altezza della finestra (m) 11 i valori della quantità d aria possono essere ricavati anche attraverso l uso di diagrammi

12 disposizione delle aperture la valutazione della portata d aria è funzione anche delle caratteristiche delle aperture l adeguata collocazione delle aperture in un ambiente libero da ostacoli può consentire un migliore ricambio naturale dell aria 12

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16 in generale per incrementare il raffrescamento passivo è necessario che vi siano almeno due chiusure esterne permeabili e che non siano collocate sulla stessa parete (a meno che non siano ad altezze significativamente diverse tali da innescare effetto camino) è importante anche la posizione verticale delle chiusure presenti: se l obiettivo è il raffrescamento corporeo le chiusure devono essere collocate ad altezza d uomo (fig.b), se l obiettivo è il raffrescamento della massa muraria la chiusura d entrata (non necessariamente quella d uscita) deve essere posizionata vicino alla massa da raffrescare, al soffitto (a, d) o al pavimento (c) 16 per quanto riguarda la ventilazione combinata - da vento e per effetto camino - occorre evitare che i due fattori entrino in conflitto fra loro (es. che l aria smaltita dal camino venga spinta nuovamente dentro dal flusso d aria esterno) ciò si ottiene, per esempio, mettendo la chiusura più alta, di uscita del flusso del camino, in posizione sottovento sinergia: linea continua, conflitto: linea tratteggiata

17 un azione sinergica dei due effetti si ottiene, per esempio, con chiusure di uscita a torrino, collocate in corrispondenza del colmo del tetto, che sfruttano il meccanismo Bernoulle- Venturi, che induce una zona di depressione in prossimità dell apertura aumentando la suzione del flusso nota l aria, come tutti i fluidi, è soggetta all effetto Bernoulli a causa del quale si ha una diminuzione di pressione in corrispondenza di un aumento di velocità questo effetto è sfruttato, per esempio, dall ala dell aeroplano la cui forma è tale da costringere l aria che passa sopra a seguire un percorso più lungo di quello che segue l aria che passa sotto, la pressione in alto è quindi minore di quella in basso e si ha quindi una spinta dal basso verso l alto 17 a causa dell effetto Venturi, quando una corrente d aria è costretta ad attraversare una sezione più piccola si ha un aumento della velocità e una diminuzione della pressione in corrispondenza della strozzatura questi effetti possono essere utilizzati per aumentare il tiraggio

18 Jestico & Whiles, recupero ad uso uffici di un ex magazzino dei primi del 900, Stukeley Street, Londra, Pica Ciamarra Associati. Museo della Scienza di Bagnoli, Napoli, retrofit di capannone industriale del XIX secolo sul colmo di copertura creazione di lanternini per il raffrescamento naturale con aperture regolate da sensori elettronici e sfruttamento dell effetto Bernoulli-Venturi

19 19 area di apertura - un area di apertura di ingresso inferiore all area in uscita determina, a parità di altri fattori, un aumento della velocità massima del flusso d aria interno rispetto a quella del vento all esterno della chiusura; - un aria di ingresso superiore a quella di uscita determina un decremento della velocità interna rispetto all aria all esterno; - un area di ingresso uguale determina il minore scostamento tra velocità dell aria interna e velocità esterna

20 20 sistemi di apertura il movimento d aria all interno di un ambiente dipende anche dal sistema di apertura dei serramenti

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22 lucernari casi particolari sono i lucernari: sul tetto piano essi svolgono funzione di aperture per sfruttare l effetto camino; su un tetto di pendenza inferiore ai 22 le falde sono ancora in depressione, per cui la funzione prevalente è ancora quella di regolazione del flusso di uscita per effetto camino (anche se alcuni tipo di apertura possono facilitare l ingresso del flusso laminare che sale lungo la falda); su una falda con pendenza maggiore di 22 o in corrispondenza di lucernari con piano di apertura verticale è possibile sfruttare l apertura stessa per l ingresso delle correnti d aria e non solo per l uscita dell effetto camino 22

23 esistono anche chiusure superiori speciali per incrementare la ventilazione i ventilatori possono essere necessari quando il flusso in entrata si incanala subito verso l uscita 23

24 Le Corbusier. Alloggi per manovali a Barcellona ispirati alla tradizione costruttiva andalusa, utilizzano il vano scale come torretta di ventilazione 24 Ford & Short. Facoltà di ingegneria a Leicester con sistema di ventilazione naturale che utilizza torricamino e lucernari

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26 dispositivi per il direzionamento dei flussi d aria alcuni elementi tecnici (aggetti, schermi, ecc.) possono essere usati sia per incrementare il volume e la velocità del flusso d aria in entrata sia per ostacolare le correnti indesiderate i dispositivi per il direzionamento del vento possono essere sia orizzontali che verticali, sia fissi che mobili 26

27 CONDOTTI SOTTERRANEI 27 un altra possibilità per creare immissione di aria fresca in un edificio esistente è quella di valersi di condotti sotterranei posti a profondità di almeno 6-12 metri la temperatura del suolo ad una certa profondità è, nella stagione calda, più bassa di quella dell aria dell ambiente esterno e rimane costante (con lievi oscillazioni) durante tutto l anno, è quindi possibile raffreddare, nella stagione calda, l aria esterna facendola passare per i condotti sotterranei prima di introdurla nell edificio per raggiungere i valori di temperatura desiderati (un di circa 5 C) è necessario che il condotto sotterraneo abbia però una certa lunghezza occorre inoltre progettare sempre accuratamente i rivestimenti del canale al fine di impedire che si verifichino fenomeni di inquinamento dovuti a materiale organico o di altro tipo proveniente dal suolo

28 un altro sistema di refrigerazione di un edificio con l uso di correnti d aria è quello di creare spazi percorsi dal vento sia sotto le coperture, sia sotto l edificio, staccandolo lievemente da terra, sia nelle mura perimetrali le strategie di ventilazione naturali viste possono anche essere controllate da dispositivi elettronici che con un monitoraggio continuo delle temperature esterne ed interne e della direzione e velocità del vento assicurino il comfort interno 28 si può infine ricordare uno strumento molto semplice, il turbo aspiratore eolico il sistema è basato su una piccola turbina a pale sagomate che viene posta in rotazione anche da una semplice brezza il profilo delle pale determina, ruotando, un effetto aspirante che migliora il tiraggio, la particolare conformazione delle pale rende l apparecchio impermeabile alla pioggia e alla neve; i turbo aspiratori in commercio sono in rame, acciaio zincato o alluminio, trattati con prodotti anticorrosivi e antiruggine il funzionamento su cuscinetti a sfera è silenzioso è può essere interrotto con particolari meccanismi di chiusura questi apparecchi sono applicabili su qualunque tipo di copertura ma devono essere sempre ben esposti ai venti dominanti

29 cenni bibliografici: Marocco, Orlandi. Qualità del comfort ambientale. Dedalo, Roma, 2000 Grosso. Il raffrescamento passivo degli edifici. Maggioli, Rimini, 1997 Butera. Architettura e ambiente. Etaslibri, 1995 Magrini, Ena. Tecnologie solari attive e passive. EPC libri, Roma, 2002 Buono. Architettura del vento. CLEAN, Napoli, 1998 AA.VV. Innovazione costruttiva nell architettura sostenibile. Edilstampa, Roma, 2003 Barrie E. Prefabricating the Superstructure. The Architects Journal. n. 27 v. 197 (giugno 1993) Jaunzens D. Energy Efficiency at Work. The Architects Journal. n. 13 v. 198 (ottobre 1995) The Architectural Review. n.1179 (1995). Domus n. 665 (1985). 29