Tecnologie per la mitigazione dell isola di calore urbana: materiali cool per tetti, pareti e pavimentazioni

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1 Tecnologie per la mitigazione dell isola di calore urbana: materiali cool per tetti, pareti e pavimentazioni Dott. Ing. Alberto Muscio DIEF Dip. di Ingegneria Enzo Ferrari, Univ. di Modena & Reggio Emilia EELab Energy Efficiency Laboratory ( 1/32

2 Materiali cool per coperture e pavimentazioni ( Trullo, Italy) (Nursery School, San Marino) Cool roofs e cool pavements sono soluzioni che permettono di prevenire il surriscaldamento sia di singoli edifici che di intere aree urbane in virtù di: Elevata capacità di riflettere la radiazione solare incidente (cioè elevata riflettanza solare) Elevata capacità di restituire all atmosfera la frazione (comunque) assorbita della radiazione solare incidente mediante irraggiamento nell infrarosso (cioè elevata emissività termica) Stabilità delle proprietà superficiali Bassa tendenza allo sporcamento (KeraKoll Green Lab) 2/32

3 Materiali cool per coperture e pavimentazioni 3/32

4 Vantaggi dei materiali cool I cool roof sono nati proprio in risposta al problema dell isola di calore urbana, fenomeno tipico delle aree urbanizzate: - Le coperture degli edifici e del manto stradale si riscaldano a causa dell irradiazione solare - Gli edifici e l asfalto rilasciano calore all aria, di giorno ed anche di notte - La temperatura dell aria rimane fino a 5 9 C più alta che nelle campagne circostanti 4/32

5 Vantaggi dei materiali cool Vantaggi diretti (per l utente finale): Minore fabbisogno energetico per raffrescamento e, di conseguenza, minori costi per il condizionamento dell aria Maggiore comfort nell edificio (più basse temperature, no effetto testa calda) Minori stress strutturali e a fatica delle coperture Minore degradazione chimico-fisica dei materiali (rivestimenti, guaine impermeabilizzanti, isolanti, ecc.) Vantaggi indiretti (per la comunità): Minore rilascio di inquinanti dovuto a degradazione chimico-fisica Minore surriscaldamento delle aree urbane (effetto isola di calore urbana) Riduzione dello smog foto-chimico Riduzione dei picchi di carico elettrico Minori consumi elettrici e rilascio di CO 2 (Ostuni, Southern Italy) 5/32

6 I materiali cool : riscoperta tecnologica di concetti antichi La riflettanza solare (R) è il parametro chiave per il controllo degli apporti È generalmente valutata integrando lo spettro misurato di riflettività ( ) nell intero intervallo rilevante per la radiazione solare ( nm), pesato con lo spettro dell irradianza solare (S ). S S λ λ,max 2500 ρ λ 300 R S λ S λ dλ dλ 6/32

7 Spettro di riflettività di materiali bianchi cool (selezione di materiali commerciali cool con colorazione bianca) 7/32

8 Spettro di riflettività di materiali bianchi ordinari (selezione di materiali commerciali con colorazione bianca) 8/32

9 Materiali cool : disponibilità commerciale Verniciatura delle superfici - Riflettanza solare dipendente dal colore (> per colore bianco) - Emissività termica influenzata dal materiale di base ( ) Membrane polimeriche bituminose e no - Riflettanza solare dipendente dal colore (>0.70 per colore bianco) - Emissività termica elevata (>0.90) Granulati chiari su base asfaltata - Riflettanza solare dipendente dal colore (>0.60 per colore bianco) - Emissività termica elevata (>0.90) Piastrelle e pietre naturali - Riflettanza solare > Emissività termica elevata >0.90 Tetti metallici (alluminio, rame, ecc.) verniciati - Riflettanza solare > Emissività termica > Tegole o mattoni in terracotta rossa hanno riflettanza 0.30, emissività 0.90 Un tetto catramato nero presenta riflettanza <0.10, emissitivà /32

10 Materiali cool color per coperture, lastrichi e pareti Gli edifici in Italia presentano tradizionalmente tetti a falde inclinate ricoperti da tegole in terracotta. I sottotetti sono spesso abitati, soprattutto nei centri storici. La combinazione della bassa riflettanza solare, unita alla bassa inerzia termica delle coperture a struttura lignea, fa del surriscaldamento estivo un problema fondamentale per gli abitanti. Tuttavia, nel contesto dell edilizia tradizionale italiana, una colorazione bianca o molto chiara delle coperture a falde non è generalmente accettabile. 10/32

11 Materiali cool color per coperture, lastrichi e pareti Si basano su pigmenti depositati su un substrato ad alta riflettività nell infrarosso vicino, in modo da ottenere: Riflettanza solare relativamente elevata (> per colori tradizionali dell edilizia come il rosso mattone o il grigio chiaro) 11/32

12 GLI STUDI PRESSO L EELab 12/32

13 Inizio degli studi sui materiali cool a Modena Questo laboratorio non condizionato del Campus di Ingegneria era inospitale da giugno a settembre a causa di temperature interne fino a 35 C e oltre. 13/32

14 Inizio degli studi sui materiali cool a Modena Type Solar Reflectance Thermal Emittance 0.94 White water-based paint with sealing capacity 0.88 (0.84 after 3-year aging) Preparazione della superficie (pulitura e lavaggio) 14/32

15 Inizio degli studi sui materiali cool a Modena Applicazione a spray (tre passate) 15/32

16 Inizio degli studi sui materiali cool a Modena Stato iniziale Stato finale 16/32

17 Inizio degli studi sui materiali cool a Modena Una significativa diminuzione della temperatura è stata misurata sia a livello del suolo (-3.0 C) che sul soffitto (-3.7 C)! 17/32

18 Ricerca e misure sui materiali cool a Modena Il laboratorio è ora utilizzabile durante tutto l anno solare Nell estate del 2006 il Campus di Ingegneria ha sperimentato una serie di malfunzionamenti dell impianto (centralizzato) di condizionamento, durante i quali il laboratorio diventava il rifugio di ricercatori e laureandi in cerca di un posto fresco dove lavorare. Dopo questo eccellente risultato, l EELab ha avviato una serie di analisi teoriche e sperimentali sui cool roof e sulle superfici cool in genere. È stata impiantata una struttura di prova di materiali cool per ricerca e sviluppo e per la qualificazione di prodotti commerciali. 18/32

19 Gruppi di ricerca operativi sui materiali cool : U.S.A. Alcuni hanno in effetti iniziato a lavorare sui materiali cool prima dell Eelab L Heat Island Group del Lawrence Berkeley National Laboratory (U.S.A.), guidato dal Prof. Hashem Akbari, è attivo sin dalla fine degli anni 80. Capitalizzando sui suoi risultati, nel 1998 è stato fondato il Cool Roof Rating Council (CRRC), volto ad implementare un organizzazione indipendente di certificazione dei materiali cool. 19/32

20 Gruppi di ricerca operativi sui materiali cool : Europa In Europa, ha seguito il Group Building Environmental Studies della National and Kapodistrian University di Atene, guidato dal Prof. Mat Santamouris. Capitalizzando sui suoi risultati e quelli del Progetto Cool Roof (finanziato dalprogramma Intelligent Energy Europe), l European Cool Roof Council (ECRC) stato fondato nel 2011 per implementare un organizzazione indipendente europea di prova dei materiali cool. In Italia, il Centro ENEA La Casaccia con il Dr. Michele Zinzi ha iniziato per primo le attività sui materiali cool. 20/32

21 Studi presso l EELab: tegole cool Obiettivo specifico: trattamento in fabbrica in situ per tegole o coppi Realizzazione: - Supporto in terracotta - Substrato riflettente alla radiazione solare - Rivestimento acrilico trasparente nel NIR, pigmentato La radiazione luminosa viene assorbita o riflessa dal pigmento e va a formare il colore, la restante parte della radiazione solare incidente passa attraverso il rivestimento esterno e incide sul substrato bianco, da cui viene a sua volta riflessa indietro nell atmosfera. 21/32

22 Studi presso l EELab: vernici (nero cool ) Materiali con colorazione simile possono mostrare spettri di riflessione e riflettanza solare molto diversi 22/32

23 Studi presso l EELab: vernici (nero cool ) Buona parte delle superfici stradali e a parcheggio sono in effetti coperte da auto 23/32

24 Studi presso l EELab: metodologie di analisi Il Laboratorio EELab ( è oggi in grado di eseguire: Misure di riflettanza solare (ASTM E903, ASTM C1549), emissività termica (ASTM C1371, UNI EN 15976), altri parametri di prestazione termica estiva dell involucro (SRI, ecc.) Invecchiamento accelerato Misure di conduttività termica (piastra calda con anello di guardia, hot disk) Misure di diffusività termica (metodo di Angstroem) e altre proprietà termofsiche Misure di trasmittanza termica di pareti finite (metodo hot box), con KeraKoll Diagnosi energetica degli edifici, rilevazioni videotermografiche all infrarosso Simulazioni CFD, simulazioni 2D/3D di ponti termici, analisi dinamiche Misure di proprietà termofisiche, parametri microclimatici 24/32

25 IL PROGETTO MAIN MAtériaux INtelligents 25/32

26 MAIN MAtériaux INtelligents MAIN è un progetto cofinanziato dal Programma MED dell Unione Europea ed è incentrato sulla promozione di materiali intelligenti tipo cool roofs e cool pavements. 26/32

27 Partner del Progetto MAIN 6/7 Isole Territoriali sono già operative in 4 paesi. CMA06, Nice GIP FIPAN, Nice DIEF/EELab, Univ. Modena & Reggio E. AESS, Modena SCIENTER, Granada AREZZO Municipality SEUM, Arezzo FUEIB, Palma de Mallorca SICILIA Region ACHARNES Municipality IASA/NK Univ. of Athens ACSMI, Athens 27/32

28 Direttiva 2010/31/UE (rifusione Direttiva 2002/91/CE) Un forte impulso alla diffusione di materiali cool dovrebbe provenire dall implementazione completa della EPBD Energy Performance of Buildings Directive come recentemente rifusa nella Direttiva 2010/31/UE (EPBD2). Quest ultima introduce il nuovo concetto chiave di edificio a energia quasi zero : Articolo 9 Edifici a energia quasi zero 1. Gli Stati membri provvedono affinché: a) entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a energia quasi zero; e b) a partire dal 31 dicembre 2018 gli edifici di nuova costruzione occupati da enti pubblici e di proprietà di questi ultimi siano edifici a energia quasi zero. Il termine edificio a energia quasi zero identifica un edificio con elevatissime prestazioni in termini di fabbisogni energetici annuali, inclusivi dei fabbisogni per: Riscaldamento Produzione di acqua calda sanitaria Raffrescamento 28/32

29 Diffusione attuale dei materiali cool La diffusione dei materiali intelligenti cool è in crescita nell area mediterranea e sub-mediterranea, ma è ancora relativamente scarsa in molte regioni dove il clima sarebbe favorevole all utilizzo. Tuttavia, i materiali cool spesso si basano su tecnologie consolidate e capitalizzano i risultati della ricerca e sviluppo nella forma di prodotti commerciali qualificati: Materiali bianchi per coperture a bassa pendenza (cool roofs) sono commercialmente disponibili, come pure materiali di colore chiaro per pavimentazioni o altre superfici urbane contro terra (cool pavements); prodotti colorati (cool colors) per pareti e tetti a falda, a volte con i colori dell edilizia tradizionale, sono in fase di sviluppo ma non lontani dalla commercializzazione. La maggior parte dei materiali cool sono sostitutivi di materiali ordinari dello steso tipo e, quindi, solo il (relativamente basso) costo incrementale dovrebbe esserne preso in considerazione per valutarne l efficacia sotto il profilo dei costi. 29/32

30 Disseminazione dei materiali cool tramite il Progetto MAIN Cool roof e cool pavements sono ancora scarsamente utilizzati in Europa. Il Progetto MAIN è perciò finalizzato a promuoverne la diffusione intervenendo su tutta la filiera del loro utilizzo: I concetti di base devono essere diffusi tra i diversi soggetti interessati, in particolare i tecnici del settore edilizio, in quanto questi sono il collegamento tra utenti finali, costruttori e fornitori di materiali. Specifica formazione di alto livello deve essere fornita ai progettisti e agli altri tecnici, al fine di consentire la stima precisa dell'impatto dei materiali cool sulle prestazioni e sul comfort negli edifici e nelle aree urbane. Informazioni e supporto devono essere forniti al rappresentanti elettivi e ai funzionari pubblici, al fine di contribuire alla valutazione dell'impatto socioeconomico dei materiali cool e all inserimento di indicazioni specifiche nella normativa edilizia. Un criterio unico di certificazione delle proprietà dei materiali cool deve essere applicato a livello europeo, al fine di verificare le prestazioni effettive e consentire una concorrenza leale dei produttori di materiali. 30/32

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32 GRAZIE PER L ATTENZIONE! Dott. Ing. Alberto Muscio DIEF Dip. di Ingegneria Enzo Ferrari, Univ. di Modena & Reggio Emilia EELab Energy Efficiency Laboratory ( 32/32