MATERIALI INTELLIGENTI PER L EFFICIENZA ENERGETICA URBANA

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1 MATERIALI INTELLIGENTI PER L EFFICIENZA ENERGETICA URBANA Prof. Ing. Alberto Muscio DIEF Dip. di Ingegneria Enzo Ferrari, Univ. di Modena & Reggio Emilia EELab Energy Efficiency Laboratory ( 1/41

2 Il pianeta si sta urbanizzando Il 50% della popolazione mondiale vive nei centri urbani. La percentuale sale fino al 70-80% nei paesi più sviluppati. Nei paesi in via di sviluppo si prevede che il livello di urbanizzazione si allineerà entro pochi decenni. 2/41 Source: CIA World Factbook

3 Il fenomeno dell isola di calore urbana (UHI urban heat island) Il surriscaldamento del pianeta e la crescente urbanizzazione stanno rendendo via via più evidente il fenomeno dell isola di calore urbana: Le coperture degli edifici e il manto stradale si surriscaldano a causa dell irradiazione solare Gli edifici e l asfalto rilasciano calore all aria, di giorno e anche di notte La temperatura dell aria è fino a 5 9 C più alta che nelle campagne circostanti 3/41

4 Isola di calore urbana e notti tropicali Tutti gli scenari climatici futuri mostrano un incremento importante della temperatura nelle aree urbane: il numero di giorni all anno caratterizzati da notti tropicali (T>20 C) e giornate torride (T>35 C) è atteso in rapido aumento. Giorni all anno con notti tropicali (T>20 C) e giornate torride(t>35 C) nessun dato fuori copertura 4/41

5 Ripercussioni dell isola di calore urbana Il fenomeno dell isola di calore urbana riguarda città a latitudini anche elevate e presenta rilevantissime ripercussioni energetiche, ambientali, sociali, economiche: fabbisogni elettrici e costi per condizionamento dell aria carichi di picco sulla rete elettrica emissioni di gas serra legate al condizionamento smog fotochimico (ozono, rilascio di componenti volatili dei materiali edili, ecc.) disagio e tasso di mortalità elevati in occasione delle via via più frequenti ondate di calore, specie tra le fasce sociali più deboli durabilità delle superfici urbane 5/41

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7 Una contromisura all isola di calore urbana: i materiali cool ( Trullo, Italy) (Nursery School, San Marino) Cool roofs e cool pavements sono materiali e 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 alta 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, Italy) 7/41

8 Materiali cool per coperture e pavimentazioni 8/41

9 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) 9/41

10 I materiali cool : riscoperta tecnologica di concetti antichi La riflettanza solare (R) è il parametro chiave per il controllo degli apporti. R è generalmente valutata integrando lo spettro di riflettività ( ) misurato sull intervallo rilevante per la radiazione solare ( nm), pesato sullo spettro dell irradianza solare (S ). S S λ λ,max 2500 ρ λ 300 R S λ S λ dλ dλ 10/41

11 Spettro di riflettività di materiali bianchi cool (selezione di materiali commerciali cool con colorazione bianca) 11/41

12 Spettro di riflettività di materiali bianchi ordinari (selezione di materiali commerciali con colorazione bianca) 12/41

13 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 non 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 /41

14 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. 14/41

15 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) 15/41

16 GLI STUDI PRESSO L EELab 16/41

17 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. 17/41

18 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) 18/41

19 Inizio degli studi sui materiali cool a Modena Applicazione a spray (tre passate) 19/41

20 Il primo cool roof in Italia Stato iniziale Stato finale 20/41

21 Il primo cool roof in Italia Una significativa diminuzione della temperatura è stata misurata sia a livello del suolo (-3.0 C) che sul soffitto (-3.7 C)! 21/41

22 Ricerca e misure sui materiali cool a Modena Il laboratorio è ora utilizzabile durante tutto l anno solare Aneddoto aggiuntivo: nell estate del 2006 il Campus di Ingegneria ha sperimentato una serie di malfunzionamenti dell impianto (centralizzato) di condizionamento. In quelle occasioni, il laboratorio diventava il rifugio di ricercatori e laureandi in cerca di un posto fresco dove lavorare. Dopo l 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. 22/41

23 Gruppi di ricerca operativi sui materiali cool : U.S.A. Alcuni hanno in effetti iniziato a lavorare sui materiali cool fin dagli anni 90: 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. 23/41

24 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 dal Programma Intelligent Energy Europe), l European Cool Roof Council (ECRC) è 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. Sono operativi anche l Univ. di Perugia e il Politecnico di Milano. 24/41

25 Esempi di 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. 25/41

26 Esempi studi presso l EELab: vernici (nero cool ) Materiali con colorazione simile possono mostrare spettri di riflessione e riflettanza solare molto diversi 26/41

27 Esempi di studi presso l EELab: vernici (nero cool ) Buona parte delle superfici stradali e a parcheggio sono in effetti coperte da auto 27/41

28 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 (chimico-fisico, soiling, biologico) 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 Misure di proprietà termofisiche, parametri microclimatici Diagnosi energetica degli edifici Analisi dinamica e simulazione CFD degli edifici 28/41

29 IL PROGETTO MAIN MAtériaux INtelligents 29/41

30 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. 30/41

31 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 AREZZO Municipality SEUM, Arezzo SARGA, Aragón FUEIB, Baleares SICILIA Region ACHARNES Municipality IASA/NK Univ. of Athens ACSMI, Athens 31/41

32 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. In proposito, la Direttiva indica di tenere in considerazione, tra gli altri: a) impianti di riscaldamento b) impianti di produzione di acqua calda c) impianti di condizionamento dell aria 32/41

33 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. 33/41

34 Disseminazione dei materiali cool tramite il Progetto MAIN Poiché cool roof e cool pavements sono ancora scarsamente utilizzati in Europa, il Progetto MAIN è finalizzato a promuoverne la diffusione intervenendo su tutta la filiera del loro utilizzo: I concetti di base vanno 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. 34/41

35 L approccio MAIN L approccio MAIN per promuovere la costruzione di qualità e, in particolare, diffondere la conoscenza e l utilizzo dei materiali intelligenti cool prevede di: Migliorare l'esperienza e la conoscenza dei tecnici professionisti del settore edile (progettisti, direttori dei lavori, certificatori), ma anche dei tecnici e funzionari pubblici, dei tecnici di impresa, degli artigiani e dei fabbricanti di prodotti commerciali, promuovendone allo scopo la qualificazione 35/41

36 L approccio MAIN L approccio MAIN per promuovere la costruzione di qualità e, in particolare, diffondere la conoscenza e l utilizzo dei materiali intelligenti cool prevede di: Migliorare l'esperienza e la conoscenza dei tecnici professionisti del settore edile (progettisti, direttori dei lavori, certificatori), ma anche dei tecnici e funzionari pubblici, dei tecnici di impresa, degli artigiani e dei fabbricanti di prodotti commerciali, promuovendone allo scopo la qualificazione: un marchio di qualità MAIN è conferito ai tecnici che hanno partecipato a specifici corsi di formazione sui materiali cool. 36/41

37 L approccio MAIN L approccio MAIN per promuovere la costruzione di qualità e, in particolare, diffondere la conoscenza e l utilizzo dei materiali intelligenti cool prevede di: Migliorare la qualità dei prodotti commerciali e stimolarne l innovazione 37/41

38 L approccio MAIN L approccio MAIN per promuovere la costruzione di qualità e, in particolare, diffondere la conoscenza e l utilizzo dei materiali intelligenti cool prevede di: Migliorare la qualità dei prodotti commerciali e stimolarne l innovazione: un marchio di qualità MAIN è conferito ai prodotti commerciali che, essendo testati secondo le procedure dell ECRC, hanno mostrato prestazioni adeguate. 38/41

39 L approccio MAIN L approccio MAIN per promuovere la costruzione di qualità e, in particolare, diffondere la conoscenza e l utilizzo dei materiali intelligenti cool prevede di: Migliorare la qualità delle proposte commerciali e degli interventi realizzati richiedendo la qualificazione della filiera dell utilizzo dei materiali cool 39/41

40 L approccio MAIN L approccio MAIN per promuovere la costruzione di qualità e, in particolare, diffondere la conoscenza e l utilizzo dei materiali intelligenti cool prevede di: Migliorare la qualità delle proposte commerciali e degli interventi realizzati richiedendo la qualificazione della filiera dell utilizzo dei materiali cool : un marchio di qualità MAIN è conferito ad una proposta commerciale che coinvolga materiali cool e, eventualmente, all intervento conseguentemente realizzato, a patto che: un tecnico coinvolto nell operazione (ad es. il progettista, o un tecnico di impresa) sia qualificato MAIN, e i prodotti cool utilizzati siano qualificati MAIN. 40/41

41 RESTATE SINTONIZZATI! Prof. Ing. Alberto Muscio DIEF Dip. di Ingegneria Enzo Ferrari, Univ. di Modena & Reggio Emilia EELab Energy Efficiency Laboratory ( 41/41