Green roof: quale risparmio energetico? Uno studio sperimentale

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1 Green roof: quale risparmio energetico? Uno studio sperimentale RENATO M. LAZZARIN FRANCESCO CASTELLOTTI Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali, Università di Padova Sede di Vicenza RIASSUNTO L utilizzo del green roof o tetto verde è noto fin dall antichità sia nei climi rigidi sia nei climi torridi. Oggi la tecnologia del green roof viene rivalutata in un ottica di risparmio energetico e di riduzione dell inquinamento; può essere considerato come un sistema di raffrescamento passivo da applicare alla copertura tradizionale degli edifici notoriamente spesso responsabile di una quota rilevante del carico estivo di un edificio. L utilizzo di un green roof presenta non solo i benefici legati all isolamento aggiuntivo e all aumento della capacità termica, ma anche quello prodotto dal raffrescamento evaporativo della copertura vegetale. In questo lavoro vengono descritte le sessioni di misura estive su un green roof installato presso l Ospedale di Vicenza. Sono stati rilevati i profili di temperature, umidità, radiazione solare e di altri parametri ambientali che intervengono nel bilancio energetico del sistema. Lo scopo è quello di calcolare il raffrescamento prodotto, evidenziando il ruolo del processo di evapotraspirazione. La trattazione estesa è effettuata nella Tesi di Dottorato riportata in bibliografia (Castellotti, 2003). 1. INTRODUZIONE Negli ultimi decenni lo spazio urbano concesso alla natura si è ridotto drasticamente, lasciando via libera ad un massiccio sviluppo edilizio. Gli effetti più preoccupanti di questo sviluppo incontrollato sono stati il peggioramento della qualità dell aria e l incremento della temperatura media dell aria nelle aree urbane. Quest ultimo è dovuto essenzialmente ad uno sbilanciamento dell equilibrio del sistema. In altre parole la particolare morfologia delle aree urbane ha incrementato la capacità di accumulo energetico e ridotto gli scambi di calore verso le zone circostanti: di conseguenza una maggiore quantità di energia rimane all interno della città stessa e l ambiente risulta più caldo. Questo fenomeno è denominato Urban Heat Island Effect (UHI, isola di calore urbana), per il quale la temperatura media urbana è più alta di quella riscontrata nelle zone rurali limitrofe (Lazzarin, 2003).

2 Green roof: quale risparmio energetico? Uno studio sperimentale Una soluzione alla persistente necessità di spazi verdi nelle nostre città è offerta dalla copertura vegetale o green roof, che fornisce la possibilità di ripristinare l equilibrio nel rapporto tra aree verdi e zone edificate: si tratta, infatti, di una tecnologia naturale che sfrutta la copertura degli edifici, consentendo al contempo benefici termici per i locali sottostanti e le aree limitrofe. È un sistema composto da più strati applicabili al tetto tradizionale che con l impiego di materiali specifici si pone l obiettivo di ridurre il carico termico entrante dal tetto stesso Caratteristiche costruttive Dal punto di vista energetico, il tetto verde può essere definito come sistema di raffrescamento passivo da applicare alla copertura tradizionale degli edifici, volto a ridurre il carico termico corrispondente. Vegetazione Terriccio Telo filtrante Elemento drenante (accumulo idrico) Tessuto immarcescibile (accumulo sostanze nutritive) Anti-radice(protezione meccanica) Figura 1. Disposizione degli strati costituenti un green roof. I diversi strati di un inverdimento pensile assolvono, come nei terreni naturali, a precise funzioni: fornire gli elementi nutritivi, accumulare acqua, aerare e drenare. Questo sistema è concepito per offrire alla vegetazione delle condizioni di vita stabili nel tempo, sopperendo alla mancanza di collegamento con il terreno naturale (Figura 1). 2. LA SESSIONE SPERIMENTALE: IL GREEN ROOF DELL OSPEDALE DI VICENZA Il green roof oggetto delle misure di questo lavoro sorge sulla copertura piana di una delle palazzine dell Ospedale S. Bortolo della ASL 6 di Vicenza. In particolare è installato sul tetto del secondo piano del V lotto. Il green roof è costituito da un sistema con elemento drenante isolante, sopra al quale sono posati 20 cm di terreno. Sulla soletta portante (cemento tralicciato), ricoperta dalla guaina impermeabilizzante, è posata la guaina anti-radice. Sopra a questa è adagiato il feltro di accumulo e l elemento drenante di 11 cm. Quest ultimo presenta proprietà di coibentazione termica essendo costituito da polietilene espanso (polistirolo). Sopra lo strato drenante è posato un telo filtrante che trattiene il terreno composto da una

3 miscela di più sostanze, quali la torba irlandese, la pietra pomice e il lapillo di lava; per garantire un iniziale nutrimento per la vegetazione viene aggiunto humus di corteccia. La vegetazione si è sviluppata dalle sementi premiscelate nel terreno: si tratta di una varietà di sedum adatto a terreni anche prosciugati esposti al sole Il modello numerico θ p R n A e ET I θ ev,i s I C I nodo I θ d,i G I,II s II C II ET II θ ev,i nodo II θ d,ii G II,III ET III θ ev,iii s III C III nodo III θ d,iii G III,d s d C d ET d θ ev,d nodo d θ d,d G d,g s g C g nodo g s c C c G g,c nodo c A i Figura 2. Schema del modello energetico e idrico del sistema green roof. Linee continue: flussi energetici (R n : radiazione solare netta, A: adduzione, ET: evapotraspirazione, G: conduzione, C: accumulo termico). Linee a tratti: flussi idrici. Il sistema fisico del green roof è elaborato in regime temporale variabile (variabile τ) in quanto caratterizzato da grandezze fisiche variabili nel tempo e dotato di capacità termica non trascurabile. Per semplificare la trattazione si ipotizza un analisi monodimensionale, ben giustificata dalla realtà considerata. In questo lavoro si utilizza il metodo numerico alle differenze finite: il dominio spaziale è suddiviso in intervalli nel cui mezzo si suppone concentrata tutta la massa e quindi la capacità termica (Figura 2).

4 2.2. Le sessioni di misura Sono state misurate tutte le grandezze meteorologiche necessarie al modello numerico, cioè radiazione solare globale, temperatura dell aria esterna e pioggia precipitata, le temperature a profondità diverse del terreno, la temperatura superficiale interna del solaio e la temperatura dell aria del locale sottostante il green roof. L umidità relativa del terreno è stata misurata con lo scopo di aggiustare il modello numerico, confrontando i risultati di questo con i valori sperimentali. Infatti, la quantificazione dell evapotraspirazione è condotta tramite la chiusura del bilancio energetico del sistema Il bilancio energetico s I 0,2 0,3 nodo I 2,0 0,4 0,2 0,2 s II 0,2 0,2 nodo II s III 0,3 0,0 2,5 0,5 1,0 0,5 nodo III s d 0,0 0,0 1,8 0,3 0,6 0,2 nodo d 1,4 0,1 s g 0,0 0,0 nodo g 2,0-0,3 s c 0,6 0,1 nodo c -1,8 0,4 Figura 3. Scambi energetici percentuali tra i nodi del modello numerico nei periodi 4-13 giugno 2003 (carattere normale) e 29 giugno-7 luglio 2003 (carattere corsivo). Le differenti prestazioni tra green roof in condizioni secche e green roof in condizioni umide si possono evidenziare integrando i flussi energetici soltanto nel periodo

5 rispettivamente più secco e più umido della sessione I risultati sono riportati nel grafico di Figura 3 dove si indicano solo i valori percentuali, rispettivamente in carattere normale e corsivo. L estensione dei due periodi naturalmente è la stessa (10 giorni), in modo tale da poter confrontare anche l energia solare incidente. Si scopre che nel periodo senza precipitazioni si conteggia una radiazione solare pari a 186 MJ/m 2, mentre in quello con qualche precipitazione, si arriva a 184 MJ/m 2, cioè solo l 1% in meno (le poche precipitazioni si sono verificate di notte). È facile notare che quando il ruolo di adduzione ed evapotraspirazione nelle due condizioni si scambia, il bilancio al nodo I si chiude in modo diverso: la differenza più marcata è quella relativa alla conduzione verso il nodo II che in condizioni umide si riduce a un quarto (79% in meno). Scendendo gli strati, tale differenza si amplifica arrivando al 90% nella conduzione tra il nodo d e g. Sono differenze importanti: il risultato è che in condizioni condizione secche 3,3 MJ/m 2 (1,8% dell energia solare incidente) entrano nel locale interno mentre in condizioni umide 0,7 MJ/m 2 (0,4%) escono dal locale sottostante il green roof Il risparmio energetico L ultima, ma più importante valutazione è quella relativa al risparmio energetico che l installazione di un green roof può produrre. Naturalmente tale indagine deve essere accompagnata da un analisi economica che ne quantifichi la convenienza per l utente. È necessario individuare uno scenario di riferimento per effettuare il confronto con l installazione del green roof: si ipotizza a tal fine che il locale interno presenti un solaio come quello effettivamente presente, ma sul quale sia posato uno strato di materiale isolante, la guaina impermeabilizzante e una copertura (piastrellato) per rendere calpestabile il terrazzo. Per quantificare il comportamento termico ed energetico di questa soluzione si è utilizzato un modello numerico per la simulazione in regime variabile di edifici (AA. VV., 1997). È interessante confrontare gli scambi energetici calcolati per lo scenario tradizionale con quelli misurati con green roof in condizione pressoché secca e in condizione relativamente più umida (Figura 4). È evidente il ruolo dell adduzione esterna per lo scenario tradizionale: la superficie esterna si riscalda notevolmente sia per il maggior flusso solare captato sia per la presenza dello strato di materiale isolante subito al di sotto. In condizioni prevalentemente secche la copertura con green roof apporta benefici non trascurabili, se confrontata con una soluzione tradizionale, anche quando dotata di un adeguato strato di materiale isolante posato esternamente. Le ragioni si individuano soprattutto nel comportamento riflettente-assorbente

6 della vegetazione che come visto permette un ingresso di energia solare contenuto al 40% circa. Con contenuti idrici più importanti si evidenzia un importante risultato: il flusso adduttivo si inverte e il green roof funziona da raffrescatore. 100 Riflessività solare Assorbimento solare Adduzione esterna Evapotraspirazione Accumulo termico ,3 0,6 1,8 0,4 4,4 Adduzione interna 0,0 Green roof secco Green roof umido Tradizionale Figura 4. Scambi energetici negli scenari considerati (green roof pressoché secco, green roof umido e solaio tradizionale) per 100 unità di energia solare incidente. 3. CONCLUSIONI I vantaggi estetici e sociali sono chiari: numerose finestre dell Ospedale si affacciano sul green roof, regalando ai degenti una visuale senz altro più gradevole rispetto ad una copertura tradizionale. L accessibilità, permessa dai vialetti, fornisce anche la possibilità di utilizzare il tetto come luogo di svago e incontro. Da ultimo risulta uno strumento molto utile per la pulizia dell aria nell ambiente urbano e per la attenuazione del fenomeno descritto come isola di calore urbana. In ultima analisi, considerando i benefici per la comunità in senso lato, si perverrebbe ad un investimento senz altro interessante, soprattutto se esteso su larga scala in tutta l area urbana. BIBLIOGRAFIA AA. VV., TRNSYS: A Transient System Simulation Program, Solar Energy, Madison, 1997 Lazzarin R., Il Problema delle isole di Calore nelle aree metropolitane in AA. VV., Il Condizionamento, Dario Flaccovio, Palermo, 2003, ISBN Castellotti F., Studio sperimentale degli effetti energetici di un green roof sugli edifici, Tesi di Dottorato, DTG Università Di Padova, 2003.