OMBREGGIATURA CON LE PIANTE PER IL CONTROLLO SOLARE DEGLI EDIFICI

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1 OMBREGGIATURA CON LE PIANTE PER IL CONTROLLO SOLARE DEGLI EDIFICI G. Papadakis, P. Tsamis, S. Kyritsis Department of Agricultural Engineering, Agricultural University of Athens, Greece Data: 13 gennaio 2001, pubblicato in Energy and Buildings n. 33, 2001, pp Introduzione Questa scheda riassume le ricerche sperimentali, condotte dai ricercatori G. Papadakis, P. Tsamis e S. Kyritsis del Department of Agricultural Engineering of University of Athens e finalizzate ad analizzare gli effetti dell impiego degli alberi per il controllo solare degli edifici. Nelle sperimentazioni effettuate durante il periodo estivo sono stati misurati diversi parametri fisici su due porzioni di area della stessa facciata di un edificio della facoltà di Agraria ad Atene: la prima area ombreggiata da alti alberi, mentre la seconda completamente libera. Sono stati eseguiti successivamente una serie di confronti tra i parametri fisici misurati su entrambe le due porzioni di area e riguardanti la temperatura dell aria e quella superficiale della parete, gli scambi di calore tra la superficie muraria e l ambiente circostante, la velocità del vento e l umidità dell aria. I risultati conseguiti hanno mostrato che le piante costituiscono un eccellente sistema passivo per il controllo solare degli edifici in estate, offrendo significativi vantaggi rispetto ai convenzionali schermi solari artificiali. Il comfort termico estivo negli edifici è infatti molto importante specialmente nelle grandi città dove le temperature sono elevate a causa dell aumento di diverse attività umane (come ad esempio il traffico) e dalla mancanza di aree verdi. Allo stesso tempo vi è un forte bisogno di soddisfare le condizioni termiche, specialmente nelle aree di lavoro dove le persone trascorrono gran parte della loro giornata. Oggi vi è la tendenza ad utilizzare sistemi di condizionamento dell aria per migliorare il comfort termico estivo negli edifici. Tuttavia questi sistemi aumentano il consumo di energia e aumentano in particolare il picco di richiesta di energia elettrica. L adozione di spazi verdi diviene importante nella pianificazione di una città perché le piante, oltre a migliorare gli spazi circostanti le costruzioni, fanno anche diminuire la temperatura dell aria nelle vicinanze. Infatti secondo alcuni studiosi 1 la vicinanza di un parco può ridurre la temperatura dell aria fino a 2 C nella zona circostante. La presenza di essenze vegetali attorno agli edifici e specialmente davanti alle facciate esposte a sud offre la possibilità di ridurre gli effetti di un elevato irraggiamento solare e quindi il picco di consumo di energia. Le piante da collocare attorno all edificio possono essere decidue, cioè in estate sono in grado con il loro fogliame di ombreggiare le facciate, mentre in inverno, quando perdono le foglie, consentono agli edifici di assorbire liberamente la radiazione solare. Questo è un metodo di controllo passivo della temperatura, che risulta meno utilizzato rispetto ai sistemi di condizionamento dell aria e presenta un profilo più regolare del carico di energia. Di conseguenza la disposizione di piante attorno agli edifici fornisce un buon potenziale per i risparmi di energia, perché al di là della loro presenza esse sono in grado di ridurre il picco della domanda di energia elettrica. In questo articolo viene presentato uno studio sull influenza degli alberi nel trasferimento di calore tra la facciata di un edificio e l ambiente; è stato condotto un esperimento sulla facciata orientata a sud-est di un edificio del campus dell Università di Agraria di Atene. Una serie di strumentazioni è stata installata sia sulla parte della facciata sotto l ombra degli alberi che sulla parte della facciata libera. Successivamente sono stati eseguiti confronti tra i parametri fisici misurati nella parte ombreggiata e in quella libera riguardanti i valori della temperatura dell aria e della parete, il trasferimento di calore attraverso la muratura perimetrale, la velocità del vento e l umidità dell aria. 32

2 Fig. 1 Vista generale della facciata dell edificio dove sono prese le misurazioni. (Fonte: G. Papadakis, P. Tsamis, S. Kyritsis. Rielaborazione dell immagine da parte dell autore.) Materiali e metodi Per le sperimentazioni sono state impiegati due serie delle stesse strumentazioni; una serie disposta su una porzione di area della facciata ombreggiata (area 1) da alberi decidui e l altra alloggiata su una porzione di area libera (area 2). Entrambe le superfici interessate sono localizzate sulla parete perimetrale orientata a sud-est di un edificio del campus dell Università di Agraria di Atene. Entrambe le porzioni di area indagate coprono una superficie di 1,5 x 1,5 m, si trovano ad un altezza di 3 m dal suolo e distano una dall altra circa 7 m. La parete perimetrale è in calcestruzzo con uno spessore di 20 cm e presenta tutta la superficie esterna tinteggiata con una tonalità di colore giallo chiaro. Dietro la parete in corrispondenza di entrambe le porzioni di area interessate sono disposti gli uffici, caratterizzati da condizioni termiche similari. Poiché la parete perimetrale è identica per entrambe le porzioni di area, le proprietà termiche ed ottiche della superficie interna ed esterna del muro sono state considerate le stesse. Fig. 2 Vista della superficie della facciata in ombra. Il cerchio mostra l area dove gli strumenti sono stati localizzati. Fig. 3 Vista della superficie della facciata non ombreggiata. Il cerchio mostra l area dove gli strumenti sono stati localizzati. 33

3 Ogni set di strumenti impiegato è stato composto da: un piranometro che misura la radiazione solare globale incidente verticalmente sulla parete, risultante dalla radiazione solare diretta e dalla radiazione solare diffusa dal cielo; un radiometro che misura il bilancio a livello verticale della radiazione solare e della radiazione a lunghezza d onda lunga, cioè il bilancio nello spettro compreso tra 0,2 e 100 µm; un anemometro che misura la velocità del vento vicino alla superficie della parete verticale ad una distanza di circa 20 cm; un tester del flusso di calore montato sulla superficie della parete e misurante il flusso in entrata o in uscita; un tester combinato della temperatura e dell umidità dell aria installato ad una distanza di circa 15 cm dalla superficie della parete; tre termocoppie montate sulla facciata della parete e misuranti la temperatura superficiale del muro. Queste tre termocoppie sono state disposte sotto l area di osservazione del radiometro. Tutti questi strumenti sono stati collegati ad un data logger (acquisitore dati), dove i dati vengono raccolti con un intervallo di 3 minuti tra una misurazione e l altra. Queste tre letture sono state adottate al fine di calcolare la temperatura media superficiale della parete. Per confrontare gli aumenti netti di energia termica nell area 1 e nell area 2, gli integrali dei valori di radiazione netta (N 1 e N 2 ) e i valori del flusso termico (F 1 e F 2 ) sono stati calcolati oltre 24 ore nel modo seguente. N j = 480 i=1 = N j,i t F j = 480 i=1 = F j,i t Dove j = 1, 2 (area 1 e 2); N j,i, F j,i sono i valori netti rispettivamente della radiazione solare e del flusso termico registrati ogni 3 minuti, rispettivamente, i = 1, 2, 3,, 480 (essendo 480 il numero di periodi ogni 3 minuti conteggiati in un giorno) e t il periodo di 3 minuti espresso in secondi (t = 180 s). Risultati conseguiti Sono stati eseguiti dei confronti tra i parametri fisici misurati sull area in ombra e su quella libera in modo da poter analizzare l influenza della presenza delle piante sugli scambi di calore tra la superficie della parete e l ambiente. Si è scelto un periodo estivo di quattro giorni soleggiati (dal 07/08/1999 al 10/08/1999) per osservare i fenomeni di intenso scambio termico. Fig. 4 Irraggiamento solare nell area in ombra (linea sottile) e nell area libera (linea spessa). (Fonte: G. Papadakis, P. Tsamis, S. Kyritsis. Rielaborazione del grafico da parte dell autore.) Dal grafico di Fig. 4 si può notare l importanza dell ombreggiamento della parete. Le foglie degli alberi bloccano la radiazione solare e nell area ombreggiata il piranometro misura per la maggior parte del tempo un irraggiamento diffuso. Valori di picco, che possono essere visti nelle Fig. 4 e 5 sulle curve delle aree ombreggiate, sono causati durante il giorno da finestre, cioè da quelle piccole aree dove il fogliame non è in grado di coprire la facciata, lasciando intercettare la radiazione solare diretta dal piranometro e dal radiometro montati sulla parete. Come si può vedere facilmente in Fig. 4, il picco nell area non in ombra raggiunge quasi i 600 W/m 2 mentre nello stesso tempo il corrispondente valore per l area ombreggiata è sotto i 100 W/m 2. Solamente da mezzogiorno la radiazione solare sulla parete ombreggiata supera i 34

4 100 W/m 2 e raggiunge i 180 W/m 2 ; ciò è causato dal fatto che il sole è molto alto sull orizzonte e l ombra degli alberi non cade sulla parete. Fig. 5 Radiazione netta nell area in ombra In fig. 5 la radiazione netta sulla parete può essere vista per entrambe le aree 1 e 2. La radiazione netta può essere interpretata come l energia radiativa assorbita dalla superficie della parete. La radiazione netta sulla parete nell area 2 è maggiore di quella nell area 1 durante la maggior parte del giorno. In Fig. 5 si può anche osservare che la radiazione netta durante la notte nell area ombreggiata è più grande (meno negativa) di quella dell aria 2. Questo può essere spiegato dalla presenza degli alberi che agiscono come barriere e bloccano la radiazione termica emessa dalla superficie della parete. Durante il giorno la temperatura dell aria nell area in ombra è più bassa di quella corrispondente all area non ombreggiata come si può vedere dal grafico di Fig. 6. Questo è in accordo con le ricerche effettuate da Parker 2 e può essere spiegato nel modo seguente. Durante il giorno nell area ombreggiata la temperatura dell aria è più alta della temperatura superficiale della parete (si confronti la Fig. 6 e la Fig. 7), così l aria cede calore per convezione alla superficie della parete. In normali condizioni climatiche, cioè senza temperature dell aria estreme e elevate velocità del vento, le foglie delle piante riescono a mantenere la loro temperatura più bassa di quella dell aria circostante attraverso la traspirazione, cioè dall evaporazione di grandi importi di acqua 3. Fig. 6 Temperatura dell aria nell area in ombra (linea sottile) e nell area non ombreggiata (linea spessa). (Fonte: G. Papadakis, P. Tsamis, S. Kyritsis. Rielaborazione del grafico da parte dell autore.) Fig. 7 Temperatura superficiale della parete nell area in ombra (linea sottile) e nell area non ombreggiata (linea spessa). (Fonte: G. Papadakis, P. Tsamis, S. Kyritsis. Rielaborazione del grafico da parte dell autore.) Benché le misurazioni dirette della temperatura delle foglie degli alberi nel sito della sperimentazione non siano state prese, il fatto che l umidità relativa misurata nell area 1 sia tenuta costantemente più alta di quella misurata nell area 2 (fino a 7%), supporta l ipotesi che le foglie degli alberi durante il giorno hanno una temperatura più bassa di quella dell aria. Dopo la conversione dell umidità relativa in umidità assoluta (Fig. 8), si è visto chiaramente che l acqua evaporata dagli alberi ha provocato un aumento di umidità assoluta di circa 1-2 kg di acqua per m 3 di aria umida. 35

5 Fig. 8 Umidità assoluta nell area in ombra Così l aria tra la parete e gli alberi in area 1 cede energia per convezione durante il giorno sia alla superficie della parete che a quella delle foglie degli alberi e poiché la sua velocità di rinfrescamento è bassa, la sua temperatura di equilibrio diventa più bassa di quella dell area 2. (si veda Fig. 6). La velocità di rinfrescamento tra la parete e gli alberi è prevista essere più bassa di quella in area 2, perché gli alberi bloccano il movimento di area. Questa ipotesi è supportata dai bassi valori misurati della velocità dell aria in area 1 in relazione all area 2, come è stato presentato in Fig. 9. Fig. 9 Velocità dell aria nell area in ombra Bisogna menzionare anche che quando uno schermo solare convenzionale viene usato per ombreggiare una parete, la sua temperatura durante il giorno di solito diviene di parecchi gradi più alta di quella dell aria circostante e così un carico di irraggiamento termico aggiuntivo prodotto da questa schermatura solare metterebbe in difficoltà la parete. Nel caso invece si utilizzino le piante come schermatura solare non ci sarebbe alcuna conseguenza. Gli effetti descritti delle piante rivelano la significativa differenza nell impiego delle essenze vegetali come dispositivo di controllo solare in relazione alle schermature solari convenzionali. In Fig. 7 è stato dimostrato l effetto dell ombra degli alberi sulla temperatura superficiale della parete. Durante il giorno la radiazione solare assorbita dalla superficie della parete in area 2 aumenta la sua temperatura di parecchi gradi rispetto a quella in area 1, mentre durante le ore notturne entrambe le temperature si abbassano. Si può vedere in Fig. 7 che le temperature minime superficiali della parete (di tutti i giorni) nell area ombreggiata 1 sono un po più elevate di quelle corrispondenti all area 2 non ombreggiata. Ciò può essere spiegato dal fatto che gli alberi inibiscono il raffrescamento radiativo della parete durante la notte. Perciò questo effetto, come è stato osservato in Fig. 7, non deve essere considerato così molto importante. 36

6 Fig. 10 Flusso termico nell area in ombra Le analisi del flusso termico (Fig. 10) porta a risultati simili come previsto. Durante le ore del giorno fluisce più energia termica all interno della parete nell area 2 che di quella nell area 1, a causa dell esposizione diretta al sole, risultando più elevata la temperatura superficiale in area 2. L energia assorbita dalla superficie muraria avanzerà all interno degli strati della parete e raggiungerà la superficie interna del muro, che a sua volta avrà un aumento della sua temperatura. Prendendo in considerazione che il senso di benessere termico in una stanza è il risultato di un effetto combinato dell energia irradiata proveniente dalle pareti e della temperatura dell aria, la stanza disposta dietro gli alberi è in grado di fornire il migliore benessere termico di quella non ombreggiata. In aggiunta quando vengono impiegati sistemi di condizionamento per raffreddare l aria di una stanza, maggiore energia viene consumata da tali sistemi nella stanza non in ombra, perché l aria della stanza guadagna calore per convezione dalle pareti che, nel caso siano dotate di buona inerzia termica, rimangono per lungo tempo ad una temperatura elevata. Quando viene impiegato un sistema di condizionamento d aria, il senso di benessere termico nella stanza non in ombra sarebbe più basso di quello della stanza ombreggiata a causa dell aumento della radiazione termica emessa dalle pareti più calde della stanza non in ombra. Conclusioni L applicazione delle piante per l ombreggiatura degli edifici può essere un efficiente metodo passivo di controllo solare. I carichi radiativi e termici nella porzione di area ombreggiata sono risultati essere più bassi rispetto a quelli nella porzione di area libera. Inoltre l effetto di raffreddamento per evaporazione delle piante ha provocato una temperatura dell aria più bassa intorno alla parete ombreggiata. Oltre al risparmio di energia che può essere realizzato dall uso degli alberi come dispositivi di ombreggiatura, si dovrebbe anche considerare i benefici generali per l ambiente, che derivano dalla riduzione delle emissioni di gas serra ottenuta grazie al risparmio di energia, e l influenza estetica degli alberi al paesaggio urbano. NOTE 1 Ca V.T., Aseada T., Abu E.M., Reduction in air conditioning energy caused by a near by park, in Energy and Buildings n. 29, 1998, pp Parker J., The effectiveness of vegetation on residential cooling, in Passive Solar Journal, n. 2, Papadakis G., Frangoudakis A., Kyritsis S., Experimental investigation and modelling of heat and mass transfer between a tomato crop and the greenhouse environment, in Journal of Agricultural Engineering Research, n. 57, 1994, pp