Università degli Studi di Padova

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1 Università degli Studi di Padova Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale Logistica e produzione Tesi di Laurea Magistrale Isole di calore urbane: contributi antropogenici e valutazione annuale. Relatore Prof. Renato Lazzarin Candidato Alberto Dina matr Anno Accademico 20010/11

2 Indice Sommario Introduzione Il fenomeno L effetto del tempo meteorologico L isola di calore di superficie L isola di calore atmosferica UHI di superficie e atmosferica: come sono correlate Le cause Il profilo logaritmico del vento Il bilancio energetico I fattori di modifica dei termini del bilancio nei centri urbani L inerzia termica Il flusso di calore immagazzinato ΔQ S Il rapporto di Bowen Le caratteristiche radiative Fattori addizionali Il calore antropogenico Il peso del calore antropogenico Il calore antropogenico all interno del core urbano Sintesi L impatto Le temperature L impatto energetico Il carico elettrico I picchi di potenza Il COP L impatto sul riscaldamento invernale L impatto sul ricambio d aria e sulle tecniche di ventilazione naturale L impatto sull inquinamento dell aria I casi di Modena e di Atene La città di Modena La città di Atene Il confronto

3 5. Le tecniche di mitigazione Gli spazi verdi I parchi I giardini pensili I materiali freddi Termocinetica dei materiali freddi Ulteriori considerazioni I vantaggi energetici Il modello utilizzato Il quartiere scelto Le tecniche adottate I risultati Il vantaggio economico La premessa I costi ed i benefici ottenibili nel dettaglio I risultati Conclusioni Appendice A Bibliografia

4 Sommario In questo elaborato si considera il fenomeno dell isola di calore urbana (Urban Heat Island, UHI). Si analizzano innanzitutto le caratteristiche principali, le cause e gli effetti con particolare riguardo alle temperature urbane e a tematiche energetiche quali il fabbisogno energetico, il COP delle macchine per il condizionamento dell aria, i picchi di potenza. Sono motivo di innovatività la scelta di orientare l analisi su base annua, venendo meno alla consueta analisi limitata alla stagione estiva, e la valutazione approfondita del ruolo del flusso di calore antropogenico. Inoltre, è proposta l idea di una possibile correlazione tra le caratteristiche temporali dell isola di calore, distinguendo tra l UHI più evidente nel periodo diurno piuttosto che nel periodo notturno, ed il peso relativo dei fattori-causa. Analizzando i casi di Modena e di Atene si giunge ad una correlazione che prevede un ruolo dominante del calore antropogenico e della geometria urbana nel determinare l UHI con tratti più evidenti di giorno mentre un ruolo dominante delle caratteristiche ottiche e termiche del centro urbano è associato all UHI prettamente notturna. Infine, sono analizzati i vantaggi ottenibili dalle tecniche di mitigazione del fenomeno in merito a temperature, problematiche energetiche e possibile ritorno economico. 4

5 1. Introduzione Sembra ormai consuetudine, parlando di isole di calore urbane, richiamare all attenzione qualche dato sull urbanizzazione. Negli ultimi anni l inurbamento ha portato a un vistoso mutamento delle cifre che ne raccontano le dimensioni: da 600 milioni di persone che vivevano in città nel 1920 si è passati a circa 2 miliardi nel Fino a un secolo fa, solo 14% della popolazione risiedeva in città e nel 1950 si era ancora al di sotto del 30% 1. Ora siamo circa al 50%. Alcune stime hanno calcolato che la popolazione urbana rappresenterà all incirca l 80% della popolazione mondiale entro il L immagine seguente, rappresenta graficamente il trend di urbanizzazione. Figura 1 - Trend di urbanizzazione, United Nations, Word Urbanization Prospects: The 2005 Revision (2006); and C.Haub (2007) Word Population Data Sheet. L incremento dell industrializzazione e di urbanizzazione (parlando in termini percentuali si deve ricordare che dal secolo scorso la popolazione mondiale è passata da 2,5 a 6 miliardi di individui) ha drammaticamente aumentato il numero di edifici nelle città concentrando ed intensificando con forza i consumi energetici e il microclima urbano, eliminando gli spazi verdi e sostituendoli con strade e vaste zone cementificate 5

6 impermeabili (l importanza di questa caratteristica sarà chiarita nei capitoli successivi) e ampie superfici verticali. Che il centro urbano fosse una zona più calda rispetto alle campagne circostanti era già cosa nota da tempo. Negli ultimi anni i dati sopra riportati hanno portato a una maggiore attenzione ai cambiamenti del microclima urbano trasformando ciò che era solamente una sapienza popolare nel più noto degli effetti dell urbanizzazione sul clima locale: l isola di calore urbana (Urban Heat Island, da qui UHI); con questo termine si identificano le differenze di temperatura tra un area urbana (più calda) e le zone rurali limitrofe. Le ricerche dedicate al fenomeno hanno evidenziato anche in termini quantitativi le differenze tra le temperature dei centri urbani e quelle delle zone circostanti, con variazioni considerevoli anche all interno dello stesso centro urbano. La figura seguente, oramai classica dell argomento qui trattato, rappresenta in modo suggestivo queste distribuzioni di temperatura. Figura 2 - Temperature su differenti aree Gli effetti principali di questa differenza di temperatura saranno, all interno dei centri urbani più soggetti a questo fenomeno: - un incremento del consumo di energia; 6

7 - elevate emissioni di inquinanti e dei cosiddetti gas serra; - un peggioramento della vita e del comfort della popolazione; - un peggioramento della qualità dell acqua, principalmente per inquinamento termico. Nelle pagine che seguiranno, questo elaborato si proporrà di trattare il fenomeno dell UHI con un approccio raro nella letteratura, cioè in termini annuali. Sarà considerato l impatto sul benessere estivo e sui consumi energetici dati dall uso massiccio dei sistemi di condizionamento d aria, costretti spesso a lavorare a basso rendimento; ovviamente, sarà prestata attenzione al problema dei picchi di potenza, tipico della stagione calda. Ma saranno presi in considerazione anche i mesi freddi: il fenomeno dell isola di calore, infatti, è in grado di garantire un risparmio importante durante la stagione invernale. All interno del capitolo Cause, sarà dedicato uno spazio dedicato al calore di origine antropogenica. Saranno valutati l entità e il contributo che esso può fornire alla formazione del fenomeno dell UHI. Lo studio terminerà con una analisi economica su alcune tecniche di mitigazione del fenomeno. La valutazione comprenderà il costo iniziale ed i costi di mantenimento, a fronte dei risparmi energetici e dei benefici in termine di benessere che le tecniche considerate potranno fornire. 7

8 2. Il fenomeno Riprendendo la definizione data poc anzi, con isola di calore urbana si intende un fenomeno che comporta delle differenze di temperatura tra un area urbana (più calda) e le zone rurali limitrofe. La temperatura media su base annua di una città di un milione di abitanti può risultare di 1-3 C più calda rispetto alle campagne circostanti e, durante le notti caratterizzate da poco vento, questa differenza di temperatura è in grado di salire fino a 12 C 2. Anche città di minore estensione o minore densità abitativa daranno luogo al fenomeno dell UHI, il quale si ritroverà in misura minore con il diminuire delle dimensioni della città stessa 3. Volendo subito entrare più nel dettaglio, il fenomeno dell UHI dovrà essere diviso in due sottotipi: l isola di calore di superficie (surface UHI) e l isola di calore atmosferica (atmospheric UHI). Quest ultima, l isola di calore atmosferica, si divide ancora a seconda dello strato atmosferico analizzato. La figura seguente mostra chiaramente la suddivisione. 8

9 Figura 3 - Isola di calore, sottotipi 5 Come si può già comprendere dal nome, queste due manifestazioni del fenomeno sono profondamente differenti, ancorché correlate; esse si differenziano per il modo in cui si formano, per le tecniche di misurazione e di identificazione, per il diverso impatto e per le diverse tecniche di mitigazione disponibili. Nelle righe che seguiranno, i due sottotipi saranno valutati più approfonditamente. Prima, però, è opportuna una piccola digressione nei riguardi degli effetti del tempo meteorologico sull entità del fenomeno UHI. Le informazioni che ne saranno evidenziate saranno sempre utili alla comprensione dell andamento del fenomeno (caratterizzato dal cosiddetto dente di sega che spesso si manifesta in fenomeni riguardanti il clima e il quale impone a chiunque voglia effettuare rilevamenti di detrendizzare i dati raccolti) e degli errori che potrebbero ricorrere nelle misurazioni. 2.1 L effetto del tempo meteorologico Escludendo, per il momento, il contributo antropogenico all entità del fenomeno, diremo che l UHI sarà più intensa in giornate di cielo limpido, caratterizzato da basse 9

10 velocità del vento. La copertura nuvolosa è in grado di bloccare gran parte della radiazione solare diretta, riducendo l effetto degli elementi urbani sulla temperatura. Il vento, ancora più efficacemente, è in grado di annullare l effetto UHI garantendo un efficace ricambio d aria trasportando aria più fresca dalle aree rurali circostanti verso il centro cittadino (esattamente come talvolta si verifica durante l avvezione mattutina). A conferma di quanto detto, si riporta alla pagina seguente parte di una tabella riassuntiva dei risultati di alcune ricerche svolte nei confronti dell isola di calore urbana in diverse città europee. Quanto affermato nel presente paragrafo a solo scopo informativo, sarà approfondito e quantificato nei capitoli a venire, in particolare nel cap. Cause. Tabella 1 - Risultati degli studi sull'isola di calore nelle città europee 4 CITTA Atene, Grecia Roma, Italia Parma, Italia IMPATTO DEL VENTO L'intesità dell'uhi aumenta in condizioni di crinali di alta pressione caratterizzate da basso gradiente di pressione, venti variabili o calmi L'azione del vento non elimina l'effetto UHI ma determina una riduzione degli effetti nei confronti delle misurazioni effettuabili in condizioni di vento calmo IMPATTO DELLA COPERTURA NUVOLOSA IMPATTO DELLE CONDIZIONI CICLONICHE ED ANTICICLONICHE Crinale di alta pressione e vicine condizioni anticicloniche caraterizzate dalla presenza di un anticiclone chiuso accompagnato da vento basso dai settori meridionale e settentrionale PERIODO DI MANIFESTAZIONE DELL UHI Periodo estivo L'UHI appare sia nei mesi estivi che nei mesi invernali con valori crescenti dall'inverno all'estate, eccetto Dicembre in cui si rileva un secondo picco L'effetto varia stagionalmente con gli effetti massimi in primavera ed estate 10

11 Firenze, Italia UHI massima durante giorni di vento calmo UHI massima durante giornate limpide Periodo estivo Lisbona, Portogallo Venti settentrionali sono associati con le maggiori temperature nel centro città, in parte a causa di un effetto scudo Analisi condotte solo in notti nuvolose La variazione stagionale dell'uhi ha mostrato un massimo in inverno 2.2 L isola di calore di superficie Durante le giornate estive con cielo limpido, il sole riscalda le superfici orizzontali urbane, come le pavimentazioni stradali o i tetti degli edifici: queste superfici, normalmente di basso o nullo contenuto d acqua (che impedisce un raffreddamento per evaporazione), se direttamente esposte, raggiungono temperature tra i 27 e i 50 C superiori rispetto alla temperatura dell aria 6 dando luogo al fenomeno dell UHI di superficie (surface UHI SUHI). Per contro, superfici più ricche in contenuto d acqua, come possono essere quelle delle campagne o dei parchi cittadini, o anche superfici ombreggiate, rimangono sempre prossime alla temperatura dell aria soprastante. Il fenomeno dell isola di calore di superficie richiede dunque una quantificazione in termini di differenza di temperatura cosiddetta epidermica (skin temperature). Questa è generalmente più marcata durante il giorno: il ΔT epidermico, in questo caso, raggiunge valori di media giornaliera di circa C. Durante la notte, il ΔT non supera i 5-10 C 7. I ricercatori fanno spesso ausilio di immagini termiche per individuare e quantificare il ΔT epidermico. Queste vengono ricavate da rilevazioni satellitari o aeree nei canali dell infrarosso. A seconda della quota e dell inclinazione, l immagine comprenderà i contributi di tetti, strade, parcheggi e parchi; con sensori radiometrici posti a quote più basse sarà possibile indagare anche le pareti degli edifici. I risultati ottenibili, assomiglieranno alle due figure seguenti. 11

12 Figura 4 - rilevamento all'infrarosso a bassa quota. Figura 5 - rilevamento satellitare all'infrarosso Queste tecniche di misurazione saranno approfondite nei capitoli successivi. Riassumendo, il fenomeno UHI di superficie si mostrerà più accentuato durante il giorno. Varierà necessariamente a seconda della stagione per le variazioni di intensità della radiazione solare ed il tempo meteorologico portando a manifestazioni più acute nel periodo estivo. Queste caratteristiche devono essere sempre tenute a mente per la corretta valutazione del fenomeno UHI di un determinato centro urbano. Come verrà mostrato successivamente, su queste caratteristiche temporali verranno portate avanti ipotesi circa il peso dei diversi fattori-causa dell isola di calore. Segue una tabella riassuntiva delle caratteristiche illustrate. 12

13 Tabella 2 - caratteristiche della SUHI 8. Caratteristica Sviluppo temporale Picco di intensità (condizioni di maggior intensità) UHI di superficie (SUHI) Presente durante tutta la giornata e tutta la notte Più intensa durante il giorno nel periodo estivo Elevata variazione spaziale e temporale: Giorno: C Notte: 5-10 C Metodo tipico di identificazione Misure indirette: Telerilevamento Rappresentazione tipica Immagini termiche 2.3 L isola di calore atmosferica Nel paragrafo precedente si è parlato di temperature superficiali, cosiddette epidermiche. Ora il discorso cambia: l interesse è qui rivolto verso la temperatura dell aria. Per essere più precisi, si tratta in prima istanza di temperatura a bulbo secco. Anche se il discorso sarà doverosamente ampliato all interno di questo elaborato. La differenza di temperatura dell aria, più calda nelle zone urbane ed in particolare nei centri ad elevata densità abitativa, rispetto all aria più fresca percepibile nelle zone rurali ad essa circostanti, determina il fenomeno dell UHI atmosferica. Come detto, i ricercatori sono soliti suddividere l UHI atmosferica a seconda della quota analizzata. Si individueranno quindi: - L UHI dello strato della copertura urbana (urban canopy layer UCL), come differenza di temperatura dell aria vicina alla superficie, al di sotto dell altezza media degli edifici; - L UHI dello strato limite urbano (urban boundary layer, UBL), come differenza di temperatura dell aria al di sopra dell altezza media degli edifici, fino alla quota in cui la conformazione urbana non influenza più le caratteristiche atmosferiche. 13

14 Figura 6 - schematizzazione delle componenti principali dell'atmosfera urbana L UHI dell UCL è sicuramente la manifestazione del fenomeno maggiormente osservata e studiata in quanto esercita la propria influenza proprio laddove la popolazione vive e dove le nostre macchine per il condizionamento d aria sono solite avere i propri scambi convettivi, soffrendo in termini di rendimento. Per questo motivo, molto spesso, parlando di isola di calore urbana, non si accenna neppure alle suddivisioni di cui sopra, dando per scontato che l interesse sia rivolto al solo strato limite urbano. L UHI atmosferica mostra i propri effetti all interno un campo di variazione molto inferiore alla SUHI: su base annua, nelle grandi città, la temperatura dell aria mantiene valori di 1-3 C superiori a quelli dell aria delle zone rurali 8. Nei picchi estivi, ma anche durante la stagione invernale in cui il fattore predominante diviene il calore di origine antropogenica, la questione è diversa e l intensità del fenomeno può raggiungere intensità di oltre 10 C. La letteratura insegna che l UHI atmosferica è meno intensa durante il giorno rispetto a quella notturna. Questa si può, però, estendere in verticale fino alla quota di diverse centinaia di metri e, in orizzontale, sottovento alla città, può arrivare a decine di chilometri di distanza (si tratta del cosiddetto pennacchio urbano, urban plume). Essa è caratterizzata da aria più turbolenta, più calda, più secca e più inquinata. Lo strato 14

15 rimescolato a assume sopra la città una forma a cupola e può essere di qualche centinaio di metri più spesso rispetto alle aree rurali 9. Nel tardo pomeriggio ed in serata l UHI atmosferica si sviluppa gradualmente, fino a raggiungere la sua massima intensità durante la notte. Si veda a tal proposito la figura seguente. Figura 7 - schema concettuale dell'evoluzione giornaliera dell'uhi atmosferica in condizioni di poco vento e cielo limpido 10 a Lo strato rimescolato è una delle tre componenti principali dello strato limite atmosferico (ABL); è riscaldato dal basso (dal suolo che a sua volta è riscaldato dal sole) ed è perciò prevalentemente caratterizzato da turbolenza termica e moti convettivi. 15

16 Mentre le aree rurali circostanti si raffreddano per irraggiamento e lo strato superficiale si stabilizza, sviluppando un inversione termica, l area urbana, a causa della propria temperatura e degli elementi di rugosità (gli edifici), conserva una turbolenza residua che attenua o annulla la stabilità atmosferica degli strati più bassi dando vita ad una sorta di strato rimescolato notturno. Mentre nelle aree rurali l inversione termica si sviluppa subito dopo il tramonto a partire dalla superficie, nelle aree urbane l inversione si sviluppa 2-4 ore dopo il tramonto, a quote più elevate; nelle ore successive lo spessore dello strato di inversione cresce, mentre si assottiglia lo strato rimescolato notturno 9. Figura 8 - profili termici notturni nell'uhi atmosferica e nell'area rurale circostante Figura 9 - struttura spaziale idealizzata dell'uhi atmosferica 16

17 Gli effetti del fenomeno dell isola di calore atmosferica, sia questa dello strato della copertura urbana o dello strato limite urbano, si rilevano con termometri tradizionali posti rispettivamente al di sotto e al di sopra della quota media degli edifici circostanti. I ricercatori tipicamente costruiscono una fitta rete di punti di misura, costituiti di sensori fissi o di sensori mobili (trasportati a bordo di un auto trasversalmente alla città, per esempio). Con questi metodi di misura (diretti) si ricava una mappa della città sovrapposta ad una serie di isoterme. Un esempio concettuale è riportato nella figura seguente. Figura 10 - mappa concettuale di isoterme illustrativa del fenomeno UHI atmosferico notturno 11 Segue una tabella riassuntiva delle caratteristiche illustrate. 17

18 Tabella 3 - caratteristiche della UHI atmosferica 8. Caratteristica Sviluppo temporale Picco di intensità (condizioni di maggior intensità) UHI atmosferica Potrebbe essere ridotta o inesistente durante il giorno Più intensa durante la notte o prima dell alba e in inverno Scarsa variazione spaziale e temporale: Giorno: -1-3 C Notte: 7-12 C Metodo tipico di identificazione Rappresentazione tipica Misure dirette: Stazioni fisse Stazioni mobili Mappe isotermiche Grafici di temperatura 2.4 UHI di superficie e atmosferica: come sono correlate Il ΔT epidermico tra centro urbano e campagne vicine, come la differenza di temperatura dell aria, sono due manifestazioni distinte del fenomeno dell isola di calore. Le differenza di caratteristiche fisiche e temporali è importante e utile da tenere a mente durante lo studio degli effetti del fenomeno. D altra parte, è ovvio che sia presente una correlazione. Le temperature raggiunte dalle superfici urbane hanno un effetto indiretto ma significativo sulla temperatura dell aria, in particolare all interno del canopy layer. Qui lo scambio convettivo porta le superfici a scambiare calore con l aria soprastante, riscaldandola: il fenomeno è direttamente osservabile misurando la temperatura dell aria soprastante strade asfaltate e parcheggi, e confrontandola con la temperatura dell aria che si trovi a lambire parchi o zone ricche di vegetazione. Queste ultime possiedono temperature superficiali inferiori (in quanto sono in grado di raffreddarsi mediante evaporazione) e in corrispondenza di queste si trova aria più fresca. A causa del continuo rimescolamento dell aria, la correlazione tra le temperature epidermiche e quelle dell aria non è costante. Queste ultime, comunque, variano in range inferiori alle temperature superficiali. I concetti appena descritti sono chiaramente mostrati dalla figura che segue. 18

19 Figura 11 - variazione delle temperature superficiali ed atmosferiche [11]. Sebbene l effetto dello scambio convettivo non sia costante è possibile elaborare modelli per il calcolo del calore scambiato dai quali ricavare, successivamente, una previsione della temperatura dell aria prossima alla superfici. Per completezza si riporta in questa sezione una possibile modellazione formulata da Jurges [12] per il calcolo dello scambio sensibile e una proposta da Ref [13] per il calcolo dello scambio di calore latente. Lo scambio di calore sensibile, tra superficie ed aria: Ts e Ta sono le temperature della superficie e dell aria, rispettivamente. U a è la velocità del vento alla quota di riferimento. La formula si mostra efficace nel calcolo dello scambio in situazioni in cui Ts>Ta (il caso di nostro interesse) mentre con Ts<Ta potrebbe sovrastimare il valore del flusso termico scambiato. Lo scambio di calore latente, tra superficie ed aria: 19

20 l è calore latente di vaporizzazione. B è un parametro che indica il grado di umidità del terreno considerato e varia da 0 (completamente secco) a 1 (completamente umido): il valore assegnato dipende dalla vegetazione presente e dall acqua contenuta nel terreno (la superficie considerata nell equazione). q a è l umidità specifica all altezza di riferimento mentre q s è l umidità specifica di saturazione per la temperatura in cui si trova la superficie. Le formule appena mostrate entreranno dunque in una equazione di bilancio energetico (in quei modelli cosiddetti urban canopy models UCD) come questa, proposta da Ref [13] : Q* è la radiazione netta globale = radiazione netta ad onda corta + radiazione netta ad onda lunga; Q E, come visto sopra, rappresenta il flusso di calore latente (dato da evaporazione, traspirazione e condensazione); Q H invece il flusso di calore sensibile (dato da riscaldamento e raffreddamento dell'ambiente); Q F rappresenta il calore di origine antropogenica; ΔQ A è l avvezione netta tra entrata e uscita dal sistema (città, campagna irrigua e non); Q S rappresenta l accumulo netto di calore nel sistema (città, campagna irrigua e non). 20

21 3. Le cause Per capire al meglio quali fattori siano i principali responsabili dell effetto isola di calore saranno introdotti in questo capitolo due argomenti utili ad individuare quali modificazioni al clima locale possano essere causate dalla presenza di un centro urbano: il profilo logaritmico del vento ed il bilancio energetico nelle aree urbane. Successivamente, saranno individuate le caratteristiche urbane responsabili della modificazione dei diversi elementi. Infine, una sezione sarà interamente dedicata al calore di origine antropogenica al fine di valutarne il contributo al fenomeno e le condizioni che possano variarlo. 3.1 Il profilo logaritmico del vento In assenza di un centro urbano, come in aperta campagna, nello strato superficiale la velocità del vento cresce approssimativamente con il logaritmo della quota. Figura 12 - evoluzione diurna dello strato limite atmosferico (Stull 1988). 21

22 Figura 13 - profilo logaritmico del vento nello strato superficiale, in condizioni neutre (Stull 1988). M è l'intensità media del vento, z la quota. In condizioni di stratificazione instabile (convettiva) e stabile il profilo si discosta leggermente dall andamento logaritmico. Figura 14 - profili del vento in condizioni neutre, stabili e instabili (Stull 1988). L'asse della quota è in scala logaritmica quindi il segmento di retta rappresenta un profilo logaritmico. In condizioni neutre si avrà un intensità media del vento secondo la relazione 22

23 quindi proporzionale alla velocità di attrito u*, che rappresenta l intensità della turbolenza meccanica originata dall attrito tra suolo e atmosfera e al logaritmo del rapporto tra la quota z e la lunghezza di rugosità aerodinamica z 0. Mentre la velocità d attrito varia a seconda delle condizioni meteorologiche, la lunghezza di rugosità aerodinamica è un parametro statico che dipende dalle caratteristiche geometriche della superficie. Alcuni valori tipici, a titolo di esempio, sono riportati nella tabella seguente. Tabella 4 - valori tipici della lunghezza di rugosità aerodinamica. In presenza di un centro urbano la struttura stessa dello strato limite sarà modificata. Questo sarà chiamato, dunque, lo strato limite urbano (urban boundary layer, UBL), già visto nei paragrafi precedenti. Esso si caratterizza principalmente per la presenza di ostacoli (in particolare gli edifici) inusuali negli spazi rurali per dimensioni e caratteristiche aerodinamiche (per esempio la rigidità). Secondo Rotach (vedi figura seguente) si possono individuare tre substrati all interno dell UBL: - Lo strato di copertura urbana (urban canopy layer, UCL); elemento strutturale caratteristico di questo strato sono i cosiddetti canyon urbani, all interno dei quali si sviluppano vortici trasversali rispetto all asse; le condizioni termiche nei canyon dipendono dalla frazione di cielo visibile (sky view factor, SVF); - il substrato di rugosità (roughness sublayer, RSL) il quale include lo strato di copertura urbana e si definisce come lo strato in cui il flusso e la turbolenza sono direttamente influenzati dalla presenza di ostacoli (edifici) ed assumono quindi una struttura variabile nelle tre dimensioni; parte dalla superficie e arriva fino ad 23

24 una quota (z r nella figura 16) che dipende dall altezza e dalla densità degli elementi di rugosità; tipicamente, nelle aree centrali di molte città europee z r è circa il doppio dell altezza media degli edifici; - il substrato inerziale, al di sopra del RSL, all interno del quale i flussi turbolenti non risentono dell effetto locale dei singoli edifici e sono quindi omogenei; il substrato inerziale si estende dalla quota z r fino a un decimo dello spessore dello strato rimescolato; in particolari condizioni il substrato inerziale non esiste. Figura 15 - struttura dello strato limite atmosferico urbano (Rotach et al. 2004) Le modificazioni dello strato limite di cui sopra richiedono un aggiornamento della relazione introdotta per descrivere il profilo logaritmico del vento. In presenza di una copertura urbana, caratterizzata da ostacoli aerodinamici posti in una struttura compatta (come possono essere gli edifici e gli alberi disposti in un centro urbano) è necessario introdurre un nuovo parametro: la distanza di spostamento z d. Questa dipende dall altezza media degli edifici e dalla loro densità. Nelle città europee il rapporto z d /z h assume comunemente valori compresi tra 0.5 e 0.9 (Rotach 1992). 24

25 Figura 16 - Profilo del vento idealizzato in un area urbana (WMO 2006). La linea spessa continua rappresenta l andamento con la quota della velocità media orizzontale del vento u; la linea spessa tratteggiata rappresenta il completamento del profilo logaritmico teorico in prossimità dei tetti degli edifici; z d è la distanza di spostamento, z 0 la lunghezza di rugosità, z H l altezza media degli edifici, z r lo spessore del substrato di rugosità. La relazione che descrive il profilo logaritmico del vento, al di sopra dell altezza media degli edifici z H sarà così modificata: Come si vede dalla figura 16, al di sotto dell altezza media degli edifici l intensità del vento diminuisce repentinamente. La conseguenza immediata è uno scarso ricambio d aria all interno del canopy layer e, quindi, una più alta temperatura atmosferica in caso di scambio convettivo con superfici surriscaldate, un ristagno delle sostanze inquinanti e dell umidità. 3.2 Il bilancio energetico L alterazione degli scambi di calore tra suolo ed atmosfera modifica temperatura, umidità e stabilità dello strato limite atmosferico; per questa ragione rappresenta uno degli aspetti maggiormente trattati nella letteratura riguardo il fenomeno dell UHI. 25

26 Considerando un bilancio di calore alla superficie di una zona rurale, scriveremo (Stull 1998) in cui, assumendo come positivi i flussi verso l alto, Q* s è la radiazione netta, Q H il flusso di calore sensibile, Q E il flusso di calore latente, Q G il flusso di calore molecolare dal suolo sottostante. Figura 17 - I termini del bilancio di calore alla superficie, di giorno (a) e di notte (b) (Stull 1988). Durante il giorno -Q* s è positivo in quanto la radiazione solare (incidente e diffusa) che raggiunge la superficie terrestre è maggiore di quella che la superficie riflette ed emette verso l atmosfera. Q H e Q E sono positivi poiché calore sensibile ed umidità sono ceduti dal suolo verso l atmosfera. -Q G è positivo perché viene trasmesso calore dalla superficie al sottosuolo per conduzione molecolare. Di notte la situazione cambia: -Q* s è negativo perché il suolo continua ad emettere nello spettro infrarosso anche quando non più irraggiato dal sole. Q H è negativo perché ora è l aria a cedere calore al suolo mentre l evaporazione diurna lascia il posto alla formazione di rugiada e brina, portando anche Q E ad essere negativo. Il terreno sottostante, nelle condizioni notturne, cede calore alla superficie e -Q G risulta quindi negativo. Per una stima quantitativa, si veda la figura seguente. 26

27 Figura 18 - Componenti del bilancio energetico alla superficie in una giornata estiva a Pitt Meadows, Canada (49 N), sopra un terreno agricolo irrigato (grafico da Stull, 1988; dati da Oke, 1978). Considerando ora un bilancio radiativo alla superficie, scriveremo (Stull 1998) dove la radiazione netta è considerata come somma di quattro componenti distinte in base alla frequenza d onda (K radiazione solare ad onda corta e I radiazione infrarossa ad onda lunga) e inoltre scomponendo le componenti verso l alto da quelle verso il basso. Quindi: K radiazione solare riflessa dalla superficie K radiazione solare incidente (diretta e diffusa) I radiazione infrarossa uscente (riflessa ed emessa dalla superficie) I radiazione infrarossa diffusa (dall atmosfera verso la superficie) E utile ricordare che la radiazione solare uscente K è proporzionale alla radiazione solare incidente K La frazione di radiazione solare a che viene riflessa dalla superficie è il cosiddetto albedo e dipende dal tipo di copertura del suolo e dall angolo di incidenza. 27

28 La radiazione infrarossa uscente è somma della parte riflessa e della parte emessa dalla superficie e si può scrivere: dove σ SB è la costante di Stefan-Boltzmann, T la temperatura della superficie e ε IR l emissività nell infrarosso, dipendente dal tipo di copertura del suolo. Si osservi la figura seguente per una stima quantitativa. Figura 19 - Componenti del bilancio radiativo alla superficie in una giornata estiva a Saskatchewan, Canada (50 N) sopra un terreno erboso, con cielo sereno al mattino e nuvolosità crescente nel tardo pomeriggio e in serata (grafico da Stull, 1988; dati da Ripley e Redmann, 1976). L introduzione di un area urbana influenza, oltre all intensità del vento e alla turbolenza, anche i bilanci energetici. Il bilancio appena illustrato, valido per una zona rurale con copertura vegetativa di piccole dimensioni ne uscirà modificato nei propri valori e dovrà essere aggiornato con due termini nuovi: il flusso di calore antropogenico (una sorgente aggiuntiva di calore che deriva dalle 28

29 attività umane, sarà approfondito nell ultima sezione di questo capitolo) Q F ed il flusso di calore immagazzinato nella struttura urbana ΔQ S. In sintesi: 3.3 I fattori di modifica dei termini del bilancio nei centri urbani In questo paragrafo saranno elencate brevemente le particolari caratteristiche delle zone urbanizzate e saranno correlate ai termini di bilancio interessati. Il flusso di calore antropogenico sarà volutamente trattato in un paragrafo a parte L inerzia termica L inerzia termica, o ammettenza termica, μ è misura della risposta termica di una superficie a un dato flusso di calore. Essa rappresenta un concetto piuttosto complesso da definire e dipende principalmente dai materiali che compongono le superfici. In termini molto semplici, l inerzia termica rappresenta l effetto combinato della capacità termica (J K -1 nel S.I.) e della conduttività termica (W m -1 K -1 nel S.I.) della struttura. Secondo Oke (1987) l inerzia termica di una superficie misura la variazione di temperatura come risultato di una variazione del flusso di calore attraverso la superficie stessa. Superfici con scarsi valori di μ mostreranno un elevata variazione di temperatura per un dato flusso di calore che le attraversi. In campo urbanistico, l inerzia termica agisce sia con un effetto di smorzamento dell ampiezza dell onda termica esterna ΔT e che con lo sfasamento della stessa, cioè con il ritardo di tempo intercorrente tra l impatto dell'onda termica sulla superficie esterna del muro ed il suo apparire, con intensità smorzata, sulla faccia interna del muro stesso. L immagine seguente illustra l effetto dell inerzia termica. 29

30 Figura 20 - Illustrazione del concetto di inerzia termica in campo urbanistico. All interno delle città i materiali utilizzati hanno notoriamente elevati valori di capacità termica (vedi par. successivo); per contro, risulta fattore determinante la struttura cava degli edifici, che riduce μ. L inerzia termica risulta in definitiva essere mediamente leggermente più elevata rispetto alle zone rurali: 1800 Jm -2 s -1/2 K -1 contro 1500 Jm -2 s - 1/2 K -1 (Baklanov et al. 2004). La tabella seguente riporta alcuni valori tipici di ammettenza termica. 30

31 Tabella 5 - Valori tipici di ammettenza termica per alcune superfici rurali e urbane (Oke 1981) Il flusso di calore immagazzinato ΔQ S Il flusso di calore immagazzinato ΔQ S compare anche nel bilancio energetico delle superfici coperte da boschi e foreste ma nelle aree urbane ha valori decisamente più elevati. ΔQ S dipende anch esso dai materiali e in particolare dalla geometria della struttura urbana. Più precisamente, risente fortemente della densità degli edifici. Molti materiali utilizzati per la costruzione degli edifici, come mattoni, acciaio o calcestruzzo hanno valori di capacità termica più elevati rispetto ai materiali presenti nelle zone rurali, come la terra asciutta o la sabbia. Ne deriva una maggiore efficacia dei centri urbani di immagazzinare calore all interno delle proprie infrastrutture. Si stima che, durante il giorno, nelle aree metropolitane il calore possa essere assorbito e immagazzinato per una misura doppia rispetto alle campagne limitrofe 14. La geometria urbana influenza i venti, l assorbimento di calore e particolarmente la capacità delle superfici di emettere radiazioni ad onda lunga verso l atmosfera. L ostruzione causata dagli edifici circostanti riduce lo SVF e trasforma gli edifici in masse termiche che non sono in grado di disperdere efficacemente calore. Gli esperti si sono concentrati su una particolare struttura urbana: i cosiddetti canyon. Questi possono 31

32 essere descritti come strade relativamente strette contornate da edifici di elevata altezza. L effetto di queste strutture non è unico: possono contribuire, infatti, a creare zone d ombra riducendo le temperature superficiali; d altra parte, riducono l albedo complessivo e, durante la notte, impediscono un efficace raffreddamento delle superfici stesse. In prima approssimazione è possibile esprimere ΔQ S come una funzione (Oke 1981) della frazione di spazi verdi λ V e della frazione di aree edificate λ P di giorno: di notte: Il rapporto di Bowen E il rapporto tra il flusso di calore sensibile e il flusso di calore latente. Dipende dall umidità disponibile nel suolo, dal tipo di suolo e dalla copertura del terreno. Alcuni valori tipici sono riportati nella tabella seguente. Tabella 6 - Valori tipici del rapporto di Bowen (Stull 1988). Il rapporto è molto variabile anche all interno dei centri urbani in quanto varia fortemente in caso di precipitazioni. Mediamente, però, nelle aree urbane è più alto rispetto alle zone rurali. Il principale responsabile è l impermeabilità delle superfici che riduce l umidità disponibile nel suolo e nel sottosuolo per l evaporazione, riducendo il calore latente Q E. La ridotta presenza di alberi e vegetazione, oltre a contribuire all innalzamento delle 32

33 temperature superficiali (le zone alberate fungono da zone d ombra), riduce ciò che viene chiamato evapotraspirazione. Questo termine vuole integrare il fenomeno dell evaporazione (dal terreno) a quello della traspirazione (dalle piante) e si misura in mm, inteso come altezza della massa d'acqua evaporata e traspirata, oppure il m³/ha (metro cubo ad ettaro): rappresenta dunque l intera massa d acqua che dalla superficie passa in atmosfera sotto forma di vapore, quindi l intero flusso di calore latente. Si veda la figura sottostante per una suggestiva rappresentazione. Figura 21 - Le aree metropolitane (sinistra), caratterizzate dal % di superfici impermeabili, dispongono di una quantità inferiore di umidità utile alla evapotraspirazione; i terreni naturali, caratterizzati da circa il 10% di superfici impermeabili (destra), mantengono temperature superficiali ed atmosferiche inferiori. Nelle zone ad alto livello di urbanizzazione, in definitiva, dopo qualche giorno senza precipitazioni il rapporto di Bowen raggiunge valori decisamente elevati Le caratteristiche radiative Le maggiori concentrazioni di aerosol (composto da particelle e corpuscoli in sospensione all'interno dell'atmosfera la cui natura chimica è variabile e il cui principale responsabile nei centri urbani è l inquinamento atmosferico) nelle aree urbane riducono leggermente la radiazione solare entrante K, ma aumentano leggermente la radiazione infrarossa entrante I. D altra parte l albedo delle aree urbane è generalmente leggermente più bassa (per effetto delle superfici più scure e delle riflessioni multiple 33

34 all interno dei canyon urbani), e questo riduce la radiazione solare uscente K. Al contrario, sebbene l emissività delle aree urbane sia leggermente più bassa di quella delle aree rurali ( contro 0.98), la temperatura più elevata aumenta la radiazione infrarossa uscente I. Queste variazioni delle quattro componenti del bilancio radiativo tendono a compensarsi fra loro e alla fine la radiazione netta Q* non varia significativamente. Si veda la tabella seguente per una quantificazione della differenza di albedo tra città e zona rurale circostante. Tabella 7 - Valori di albedo e confronto con la zona rurale (adattato da Haider Taha, Urban climates and heat islands: albedo, evapotranspiration, and anthropogenic heat). Area urbana Albedo Δ (urbano-rurale) Los Angeles (centro città) Madison, WI (urbano) St. Louis, MI (urbano) St. Louis, MI (centro) Hartford, CT(urbano) Adelaide, AUS (zona commerciale) 0.27 (medio) 0.09 Hamilton, Ontario Munich, West Germany 0.16 (medio) Vancouver, BC Tokyo 0.10 (medio) Ibadan, Nigeria 0.12 (medio) 0.03 Lagos, Nigeria La figura seguente illustra gli elementi principali del cosiddetto budget energetico di una città. 34

35 Figura 22 - Budget energetico della superficie urbana (adattato da David Sailor) Fattori addizionali Si è già parlato di come il tempo meteorologico influenzi l effetto UHI. D altra parte, è bene sottolineare come possano far parte delle cause sia il livello di precipitazioni e di copertura nuvolosa media sia la topografia e la posizione geografica della città di interesse. Per quanto riguarda i venti e la copertura nuvolosa si è già detto che cielo limpido e calma piatta sono condizioni che esaltano gli effetti dell UHI. Per contro, una copertura nuvolosa consistente e venti forti, sono in grado di annullare gli effetti del fenomeno. La posizione geografica incide nei termini in cui, per esempio, una grande massa d acqua che si dovesse trovare nei pressi della città (una laguna, un lago, un mare): è noto il potere delle masse d acqua di mitigare il clima ed anche per quanto riguarda l effetto UHI queste sono in grado mitigare gli innalzamenti di temperatura che esso genera tra le mura cittadine; inoltre, possono generare correnti ventose il cui effetto è spiegato sopra. Ancora, la presenza di una catena montuosa può alterare la struttura dei 35

36 venti, altresì bloccandoli o generando nuove direzioni dei venti prevalenti che, in alcuni casi, vengono dirette attraverso la città, garantendo un efficace ricambio d aria. 3.4 Il calore antropogenico Il flusso di calore antropogenico Q F è una sorgente aggiuntiva di calore che deriva dalle attività umane e dai consumi energetici che esse comportano. Questo calore aggiuntivo è grado di riscaldare l aria prossima alla superficie, contribuendo alla creazione dell effetto UHI. L importanza, o meglio il peso, del calore di origine umana nel surriscaldamento degli ambienti urbani è stato preso in considerazione da poco mentre prima, spesso, era lasciato in disparte. Esso dipende dall intensità del consumo energetico, da come l energia viene prodotta, dai sistemi di trasporto e, soprattutto, dai nostri sistemi di riscaldamento. I valori più elevati di Q F si trovano tipicamente durante la stagione fredda, in città caratterizzate da climi rigidi. Per questi motivi si è da subito considerata un influenza scarsa sull effetto UHI da parte di questo calore: se dovesse semplicemente riscaldare la città quando fa freddo per quale motivo dovrebbe essere preso in considerazione? Si stima che in molte città statunitensi, Q F assuma valori medi giornalieri compresi tra 20 e 40Wm -2 durante i mesi estivi mentre salga a valori compresi tra 70 e 210Wm -2 nei mesi invernali. Per avere un termine di paragone, durante una giornata estiva con cielo limpido o nuvolosità parziale, a mezzogiorno la radiazione solare netta alla superficie varia normalmente tra 700 e 1000Wm -2 [15] ; su base giornaliera, il valore rimane prossimo ai 40 Wm -2 durante la stagione invernale oppure in giornate caratterizzate da forte nuvolosità o precipitazioni; durante la stagione estiva la radiazione netta giornaliera supera frequentemente i 250 Wm -2, con picchi superiori ai 600 Wm -2 (U.S. Geological Survey, Data Series 284). Si veda la figura seguente per una quantificazione di Q F in termini di media annuale. 36

37 Tabella 8 - calore antropogenico (QF) e radiazione netta (Q*) di alcune città. I valori sono dati da medie annuali ed escludono le zone suburbane e rurali [16]. Città Q r (W m -2 ) Q* (W m -2 ) Chicago 53 Cincinnati 26 Los Angeles Fairbanks St. Louis 16 Manhattan. NY City Moscow 127 Montreal Budapest Osaka 26 Vancouver 19 West Berlin D altra parte, Taha et al. [17] hanno elaborato simulazioni dal risultato interessante. Tenendo conto dei consumi energetici degli edifici e del traffico di autoveicoli per tracciare un profilo giornaliero di emissione di calore sono giunti alla conclusione che, nel centro di una grande città (non meglio specificata), il solo calore antropogenico è in grado di creare un effetto UHI di 2-3 C, sia durante il giorno che durante la notte. I risultati hanno inoltre mostrato come Q F sia un fattore di rilievo per i soli core cittadini, mentre nelle zone commerciali o residenziali la sua influenza sia pressoché irrilevante Il peso del calore antropogenico Volendo approfondire maggiormente, ci si potrebbe chiedere quale sia il peso del calore antropogenico relativamente agli altri fattori-causa elencati precedentemente. Uno studio giapponese [18], focalizzato sulla città di Nagoya (Giappone), è giunto a risultati interessanti proprio su questo argomento. Lo studio è stato basato su simulazioni condotte su dati disponibili da rilevazioni di temperature da stazioni fisse nella e attorno alla città di Nagoya (il cosiddetto remote sensing). Definendo H n come il flusso di calore sensibile ricavato dal solo bilancio radiativo alla superficie 37

38 con R n la radiazione netta, G il flusso di calore dal suolo, LE il flusso di calore latente; e H as il flusso di calore dovuto ai soli effetti delle attività umane (il calore antropogenico, appunto) ricavato come differenza tra il flusso di calore sensibile totale H ed H n è stato ricavato che il 10 Luglio del 2000 H n in città aveva assunto un valore di 320Wm - 2 contro 99 Wm -2 di H as. Mentre, nella zona rurale scelta per l analisi, H n non aveva superato il valore di 97 Wm -2. Inoltre, l 8 Dicembre H as arrivava a 82Wm -2, ben superiori ai calcolati 9Wm -2 di H n. Aggiungendo un calcolo per la stagione primaverile, fu stimato nel giorno 2 Aprile H as pari a 79Wm -2 e H n pari a 161Wm -2 (il risultato fu ritenuto dunque attendibile in quanto ci si aspetta che i consumi energetici in primavera siano leggermente inferiori rispetto alle altre stagioni). I risultati sono riassunti nella tabella seguente. Tabella 9 - Valori di H as e H n per le tre aree scelte di Nagoya. Data Lug. 10, 2000 Dic. 8, 2000 Apr. 2, 2002 Set. 17, 2000 Flusso di calore sensibile (W/m 2 ) H as H n H as H n H as H n H Posizione città residenziale rurale La distribuzione di temperature superficiali su Nagoya, il 10 Luglio 2000 si vede nella figura che segue. 38

39 Figura 23 - distribuzione delle temperature superficiali su Nagoya, il 10 Luglio 2000 In sintesi, i valori di H as ottenuti mettono in luce innanzitutto una distribuzione spaziale e temporale in ragionevole accordo con la stagionalità dei consumi energetici. Questo punto è importante, in quanto conferma che una alto consumo energetico corrisponde ad un innalzamento degli effetti UHI. In realtà, come si vede nella tabella 9, l andamento invernale di H as è in controtendenza ai dati riportati nella letteratura: Q F si riduce durante la stagione invernale. Sono gli stessi autori, su questo punto, a scusarsi per il risultato ottenuto: le assunzioni fatte per la stagione fredda hanno probabilmente portato ad un malfunzionamento del modello, alterando il risultato. Su questo dato, quindi, l affidabilità dello studio deve venire a mancare. Ancora, H as è stato stimato sempre elevato nelle zone con sviluppo urbano e basso nelle campagne. Infine, durante l estate, considerando il valore medio per l intero centro urbano, H as era molto inferiore ad H n. Ne consegue che la riduzione del flusso di calore latente dovuta alla scarsa vegetazione e all impermeabilità delle superfici urbane ha necessariamente un impatto più forte sull innalzamento delle temperature rispetto al calore antropogenico. 39

40 Il presente elaborato si propone ora di andare oltre, esaminando il peso del calore antropogenico all interno del centro urbano. In particolare, volendo distinguere anche all interno del core urbano stesso i valori di Q F in funzione della densità di edifici Il calore antropogenico all interno del core urbano Si è finora dimostrata la stagionalità di Q F, l allineamento con i consumi energetici ed un apparente peso inferiore relativamente ai fattori-causa visti nei paragrafi precedenti. Ma vi sono caratteristiche urbane o condizioni in cui il flusso di calore antropogenico assume un importanza di rilievo, fino a diventare quasi il fattore predominante dell innalzamento delle temperature urbane? Uno studio condotto a Londra nel 2007 [18] si è basato su dati storici dei consumi energetici londinesi del 2005 per investigare come le caratteristiche geometriche (la densità di edifici principalmente) del centro urbano intervenissero a variare l importo antropogenico al bilancio energetico. Il calcolo si è riferito al flusso di calore proveniente dai soli edifici, escludendo il traffico veicolare ed altre possibili sorgenti. I risultati ottenuti sono perciò da ritenersi una sottostima del dato reale. Per giungere al confronto tra il flusso di calore emesso dagli edifici e la radiazione netta (parametro spesso preso a riferimento, come si è visto) sono state modellate quattro ipotetiche zone di Londra. Ciascuna di queste è stata caratterizzata da area ed altezza media, spazio tra gli edifici, volume ed area totale (numero di volte in cui il singolo edificio è ripetuto) in accordo con le classi stabilite dal MLSOA (parte del sistema di gerarchia geografica utilizzata dal UK Office of National Statistics per fornire dati disaggregati). Le caratteristiche geometriche sono riassunte in un parametro di densità chiamato volume normalizzato. I quattro modelli sono stati quindi collegati ai consumi energetici attesi, sempre in accordo con le classi stabilite dal MLSOA. I siti rappresentativi, modellati per lo studio, sono rappresentati nella figura seguente. Il volume normalizzato aumenta da un valore minimo attribuito al sito A fino ad un valore massimo attribuito al sito D. 40

41 Figura 24 - siti rappresentativi di diverse zone del centro di Londra Di seguito sono brevemente presentati i risultati dello studio. Per migliorare la qualità del confronto, sono state considerate le mutue riflessioni (è stato assegnato un valore standard di albedo pari a 0.2 a tutte le superfici) e la diversa capacità delle differenti geometrie di assorbire la radiazione solare. Sono state quindi distinte la radiazione netta al suolo (Net Shortwave Solar Radiation Ground Plane) e la radiazione netta assorbita dalla particolare geometria in analisi (Net Shortwave Solar Radiation). La tabella sotto riportata riporta il flusso di calore antropogenico calcolato per alcuni giorni rappresentativi delle diverse stagioni, confrontato con la radiazione netta giornaliera, in termini di energia totale giornaliera. Tabella 10 - emissioni giornaliere di calore antropogenico confrontate con la radiazione netta a Londra. Giornata Sito A Sito B Sito C Sito D Invernale, nuvolosa Invernale, media Estiva, media Estiva, calda Totale giornaliera (Wh/m 2 ) Totale giornaliera (Wh/m 2 ) Totale giornaliera (Wh/m 2 ) Totale giornaliera (Wh/m 2 ) Edificio Solare Edificio Solare Edificio Solare Edificio Solare

42 Per quanto riguarda i siti A e B, durante un giornata invernale e nuvolosa, il confronto indica un rapporto tra calore antropogenico e radiazione solare netta da 3 a 5 volte superiore a vantaggio del primo. Durante la stagione estiva il rapporto cambia drasticamente a favore della radiazione solare: il rapporto scende a valori compresi tra 0.04 e Fino a qui nulla di nuovo: lo studio sembra sostenere le tesi di cui sopra. I profili suggeriscono che il calore antropogenico sia solamente marginale d estate mentre assume un contributo significativo d inverno. Procedendo a considerare i siti C e D l importanza assunta dal flusso di calore Q F aumenta notevolmente. Si spazia da rapporti con valori compresi tra 8 e 25 durante la stagione invernale per scendere ad un valore massimo di 0.4 in estate. I ricercatori avvertono come sempre delle limitazioni del proprio modello generate dalle necessarie assunzioni adottate. D altra parte, il risultato dello studio è chiaro. Seppure senza una definizione precisa delle caratteristiche geometriche dei siti analizzati, si ricava una correlazione tra la densità di edifici e l apporto di calore antropogenico al bilancio energetico. In quei centri urbani caratterizzati da profondi canyons e ad alta densità, Q F assume valori meritevoli d attenzione, in quanto in grado di rappresentare una frazione di bilancio pari a quasi la metà della radiazione solare assorbita, proprio in quei mesi in cui l innalzamento di temperature apporta gli effetti negativi che si conoscono. Sono gli stessi ricercatori, in questo studio, a mettere in guardia da una valutazione su base annuale di Q F : questo infatti, su base annua, perde di importanza ed anche di significato, richiedendo imperativamente uno studio stagionale quando non giornaliero. Si riportano per completezza i profili delle emissioni di calore dei siti A, B, C e D, confrontati con la radiazione assorbita calcolata. 42

43 Figura 13 - profilo d'emissione di Q F per il sito A. Figura 12 - profilo d'emissione di Q F per il sito B. 43

44 Figura 15 - profilo d'emissione di Q F per il sito C. Figura 14 - profilo d'emissione di Q F per il sito D. 44

45 3.5 Sintesi Riassumendo quanto visto sopra le cause dell UHI si possono ritrovare nelle variazioni del bilancio energetico che sono determinate dalle peculiarità di una zona ad elevata urbanizzazione. Queste varieranno per intensità ed effetti da città a città. In ogni caso, possono essere sintetizzate nell elenco seguente (Oke 1995): - di giorno la prevalenza del flusso di calore sensibile sul flusso di calore latente, dovuta alla impermeabilità delle superfici e alla scarsa vegetazione, riscalda la struttura urbana; - nel pomeriggio il flusso di calore sensibile cala più gradualmente rispetto alle aree rurali e addirittura di notte spesso resta positivo; - nel tardo pomeriggio e di sera la struttura urbana rilascia una quantità significativa di calore, immagazzinato durante la giornata; - il flusso di calore antropogenico costituisce una sorgente aggiuntiva di energia; raramente è la causa principale dell isola di calore, tuttavia può essere importante, in particolare d inverno con venti deboli e in condizioni di stabilità atmosferica oppure all intero di geometrie urbane particolarmente dense, caratterizzate da profondi canyons e, quindi, da altezze medie elevate. Si riportano qui sotto una tabella dei valori tipici massimi delle componenti del bilancio energetico ed un immagine riassuntiva delle cause dell effetto UHI. Tabella 11 - Valori tipici massimi giornalieri delle componenti del bilancio di calore in alcune città del Nord America (Piringer et al. 2002) 45

46 Figura 16 - Schema riassuntivo delle cause dell'isola di calore (James Voogt, How Researchers Measure Urban Heat Islands) 46

47 4. L impatto Esaminate le principali caratteristiche e le cause del fenomeno UHI, questo capitolo si propone di fornire brevemente una quantificazione dei possibili effetti dell innalzamento delle temperature all interno di un centro urbano. Saranno enunciati e, per quanto possibile, quantificati gli effetti sulle temperature, sulla movimentazione dell aria all interno della città e sull inquinamento, sull impatto energetico del fenomeno. Saranno infine presentati a titolo di esempio il caso dell UHI di Modena ed il caso dell UHI di Atene dei quali saranno analizzate somiglianze e differenze nella manifestazione degli effetti dell isola di calore. 4.1 Le temperature Si è già parlato di come l UHI possa impattare sulle temperature all interno di un centro urbano. In questo paragrafo saranno semplicemente portati alcuni esempi in modo da chiarire ulteriormente quale sia l entità dell impatto del fenomeno sulla temperatura dell aria. Le temperature raggiunte dalle superfici, pur dovendo necessariamente rientrare nell attenzione di chi volesse investigare sul fenomeno UHI di una determinata città, dipendono fortemente (vedi capitoli precedenti) dall esposizione solare e dalle caratteristiche ottiche delle superfici stesse: i valori medi e massimi raggiungibili in termini di temperature sono già stati elencati e non saranno nuovamente trattati in questa sede. Numerosi studi si sono occupati di tracciare profili di temperature dei centri urbani durante la stagione estiva, stimandone la differenza rispetto alla zona rurale di riferimento. D altra parte, l UHI è un fenomeno proprio anche della stagione invernale ed alcuni ricercatori si sono per questo impegnati per ricavare dati su base annua. Colacino e Lavagnini (1982) sono stati tra i primi ricercatori ad analizzare l UHI a Roma. Utilizzando una rete di dieci stazioni di rilevamento, con una campagna di misure lungo un periodo di 12 anni ( ), si è pervenuti ad un risultato di circa 2.5 C per l intensità dell UHI invernale e 4.3 C per l intensità dell UHI estiva. Zanella (1976), occupandosi di indagare il ΔT atmosferico tra la città di Parma e la zona aeroportuale limitrofa, è pervenuto ad una intensità media di 1.4 C su base annua; lo studio si è basato su un periodo di misurazione di 14 anni ( ) ed ha mostrato 47

48 una variabilità stagionale del fenomeno. Altri studi sono stati condotti a Firenze dove Petralli et al (2006) sono giunti ad una intensità media dell UHI di 3 C, ottenuta tramite rilevamenti di temperature lungo l estate del Appare chiaro, a questo punto, che il fenomeno UHI impatti tanto sulle temperature estive quanto su quelle invernali. Come già suggerito nei paragrafi precedenti, è importante rammentare come l impatto sulle temperature possa intervenire a causa di fattori differenti nelle diverse stagioni. In sostanza, durante la stagione estiva saranno per lo più importanti le proprietà ottiche degli edifici e la geometria urbana mentre durante la stagione invernale assumerà maggiore rilievo il calore di origine antropogenica. Queste osservazioni sono importanti soprattutto nel calcolo degli effetti delle possibili opere di mitigazione contro il fenomeno UHI e saranno approfondite nei capitoli successivi. Anche all interno della stessa stagione, per contro, realtà diverse possono dare origine ad un fenomeno UHI con caratteristiche differenti e potenzialmente in grado di suggerire quali fattori-causa stiano esercitando un ruolo predominante. Questo elaborato si propone di evidenziare qualche possibile linea guida nelle pagine che seguiranno, in riferimento ai casi di Modena e di Atene. 4.2 L impatto energetico Le temperature più alte esercitano effetti importanti sui consumi energetici degli edifici, in particolare durante la stagione estiva. E evidente che una temperatura maggiore porti ad un carico di raffreddamento più elevato innalzando il consumo di energia elettrica e la produzione di CO 2 come di altri elementi inquinanti. Per contro, l UHI invernale può ridurre allo stesso modo i consumi energetici, alleviando il carico di riscaldamento. Gli impatti energetici dell UHI sono stati approfonditi e studiati in Europa ed i risultati più rilevanti sono stati ottenuti ad Atene grazie agli studi di Hassid et al (2000) e di Santamouris et al (2001). Le informazioni che seguiranno faranno principalmente riferimento a questi studi Il carico elettrico Lo studio condotto da Santamouris et al (2001) ha portato al calcolo dei gradi-ora di raffreddamento all interno della città di Atene. I gradi ora, calcolati su una temperatura di riferimento di 26 C, sono utili per stimare l entità del carico elettrico dovuto alle 48

49 macchine per il condizionamento dell aria. Ne è stata ricavata la distribuzione spaziale, utile per comprendere come l effetto UHI si disponga all interno della città. Figura 30 - Distribuzione spaziale dei gradi-ora di raffreddamento ad Atene, alle 13:00, durante il mese di Agosto 1996 per una temperatura base di 26 C Ne risulta che il numero di gradi-ora del centro della città è circa doppio rispetto alle zone circostanti. In particolare, verso mezzogiorno, nella zona centrale di Atene il numero di gradi-ora di raffreddamento è circa 385 mentre nelle zone suburbane è di circa 132. Le informazioni ottenute sono state utilizzate per il calcolo del carico di raffreddamento in termini di impiego di energia elettrica delle macchine per il condizionamento d aria. La simulazione è stata condotta utilizzando i dati meteorologici disponibili ed utilizzando un edificio di riferimento così costruito: costituito da 7 piani, una superficie totale di 500m 2, abitato da 25 persone e coibentato in modo da ridurre il fabbisogno di riscaldamento e di raffreddamento (la descrizione completa dell edificio è fornita da 49

50 Allard 1998). Si veda nella figura seguente la schematizzazione dell edificio. Sotto, la distribuzione spaziale del carico di raffreddamento calcolata per una temperatura di setpoint di 27 C, nella regione di Atene. Figura 31 - Schematizzazione dell'edificio di riferimento, Santamouris et al (2001) 50

51 Figura 32 - Distribuzione spaziale del carico di raffreddamento ad Atene durante il mese di Agosto 1996 per una temperatura di set-point di 27 C; i valori sono in kwh/m 2 Come si vede dalla fig. 32 lo studio ha riscontrato un carico di raffreddamento del centro città circa doppio rispetto alle zone limitrofe, corrispondente al calcolo dei gradiora. E da sottolineare che il valore massimo è stato rilevato da una stazione nella zona centrale di Atene posta in prossimità di una vena stradale ad elevata densità di traffico. I valori minimi, invece, sono stati calcolati per la zona di Atene più a sud-est, caratterizzata da una densità abitativa rispondente ai canoni del residenziale e prossima alla foresta di Hemetus. Valori elevati sono stati calcolati per la zona più a ovest: questa zona è caratterizzata da edifici più ravvicinati, minor spazi verdi e importanti attività industriali, oltre ad elevato traffico automobilistico rispetto alla zone più a est I picchi di potenza Un problema sempre più evidente, durante la stagione estiva, riguarda i picchi di potenza. Le temperature più alte inducono ad un ulteriore aggravamento del carico di punta sottoponendo la rete di distribuzione locale a costante stress. I noti effetti del sovraccarico della linea distributiva dell energia riguardano il rischio di black-out o l esigenza di intervenire con opere di aumento della capacità della rete. Per queste ragioni è importante conoscere il possibile impatto dell effetto UHI sui valori di potenza 51

52 assorbita. Ancora una volta, ci si può riferire agli studi condotti ad Atene per ottenere qualche dato. Santamouris et al (2001) hanno calcolato la distribuzione spaziale dei picchi di potenza, nella regione di Atene, durante il mese di Agosto La simulazione è stata condotta con l ausilio del software TRNSYS per varie temperature di set-point, a partire da 26 C per arrivare a 28 C. Il risultato è illustrato nella figura seguente. Figura 33 - Distribuzione spaziale dei picchi di potenza dell'edificio di riferimento simulati per una temperatura di set-point di 26 C, durante il mese di Agosto I valori sono espressi in kw. Come si vede dalla distribuzione spaziale i valori più elevati corrispondono alla zona centrale di Atene. Per una temperatura di set-point di 26 C il calcolo riporta un valore di picco massimo di 27.5 kw mentre il valore minimo è di 13.7 kw. Quindi, l effetto UHI della zona centrale è in grado di raddoppiare il picco di potenza massimo dell edificio di riferimento. La simulazione condotta per temperature di set-point più elevate ha portato a risultati interessanti. Per una temperatura di set-point di 28 C il divario tra il valore di picco massimo ed il minimo si allarga: il calcolo porta a valori di massimo e minimo di

53 kw e 7.3 kw, rispettivamente. Questi valori indicano scarsa sensibilità del picco massimo alle variazioni di set-point: dunque, si è portati a pensare che nella zona centrale di Atene i valori massimi di potenza assorbita siano causati dal persistere di temperature molto alte. Invece, i picchi minimi diminuiscono sensibilmente al crescere della temperatura di set-point: l effetto è dovuto alla diminuzione della differenza di temperatura interno-esterno ed il picco deve essere ricondotto principalmente alle condizioni di irraggiamento ed altre cause [1]. Negli Stati Uniti sono stati condotti numerosi studi sulla correlazione tra l effetto UHI ed i consumi energetici. In particolare, Akbari et al (1992) hanno calcolato come per le città statunitensi con una popolazione superiore alle unità il picco di carico elettrico aumenti dal 3% al 4% per ogni K di aumento delle temperature. Ancora, uno studio a Los Angeles ha mostrato come il tasso di aumento della richiesta di potenza fosse di 540 MW per ogni K. Basandosi su questi dati, è stato stimato che, negli USA, il costo orario della corrente elettrica dovuta al solo effetto UHI fosse di 1 milione di $, ossia circa 1 miliardo di $ l anno (Akbari et al, 1992) Il COP Il coefficiente di prestazione (coefficient of performance, COP) è un parametro pesantemente influenzato dalla temperatura e dall umidità relativa dell aria. La natura dell effetto, in questo caso, si fa più tecnica e meno intuitiva: il salto entalpico realizzato all interno dallo scambiatore esterno della macchina A/C, a parità di lavoro assorbito, si riduce in condizioni di temperatura e di umidità elevate. Tale riduzione abbassa il rendimento globale della macchina il COP fino a valori che, ad Atene, hanno visto una perdita di circa il 25%. Utilizzando i dati riguardo alla temperatura su base oraria e all umidità relativa dell aria forniti dalle stazioni disposte nella regione di Atene Santamouris et al. hanno ricavato una distribuzione spaziale dei minimi valori di COP. La distribuzione è riportata nella figura seguente. 53

54 Figura 34 - Distribuzione spaziale dei minimi valori di COP calcolati nella regione di Atene per un condizionatore d'aria convenzionale (valori espressi in percentuale) [1]. La distribuzione mette in luce come nella zona centrale di Atene, a causa delle elevate temperature, si raggiungano i valori più bassi dei rendimenti delle macchine A/C (vicini al 75%). Il problema si somma, dunque, agli effetti visti nei paragrafi precedenti riguardanti l incremento di carico elettrico ed il picco di potenza più elevato. Anche la zona costiera risente di condizioni sfavorevoli per il rendimento dello scambio fluidoaria della macchina A/C. In questo caso si tratta dell elevata umidità relativa causata dalla prossimità al mare. E noto, infatti, che una maggiore umidità dal lato freddo, ossia in corrispondenza dell evaporatore della macchina, ne renda più oneroso il funzionamento: il valore entalpico dell aria dal lato freddo è maggiore a causa del contributo dovuto al maggior vapor acqueo presente. Sull evaporatore della macchina A/C condenserà una importante quantità d acqua che dovrà essere raccolta ed allontanata, elevando la quota di calore latente da espellere dall ambiente interno. Se la macchina non è adeguatamente dimensionata, la conseguenza diretta è un calo delle prestazioni in termini di rendimento. 54

55 I valori ottenuti evidenziano ancora un problema di natura energetica. Durate eccessive di funzionamento dei sistemi A/C in condizioni di basso rendimento potrebbero obbligare a ridimensionamenti delle macchine. Incrementando la potenzialità della macchina ci si assicurerebbe di poter lavorare ad elevato rendimento ma il provvedimento andrebbe a gravare, ancora una volta, sui consumi energetici e sulla potenza assorbita L impatto sul riscaldamento invernale E tra i principali obiettivi di questo elaborato effettuare una attenta analisi delle caratteristiche del fenomeno UHI su base annua. Il surriscaldamento urbano, manifestandosi durante la stagione invernale, è in grado di portare a risparmi importanti sull energia spesa per il riscaldamento. Il punto di arrivo dell analisi dell impatto invernale dell UHI deve rivolgersi all individuazione delle differenze, durante la stagione calda e fredda, nei meccanismi di sviluppo del fenomeno che consentirebbero una mitigazione dell impatto estivo (negativo) senza andare a discapito dell impatto invernale (positivo). In questo paragrafo sarà fornita una quantificazione del vantaggio energetico dell effetto UHI durante la stagione fredda mentre argomenti riguardanti le opere di mitigazione saranno ripresi nei capitoli successivi. Gli studi condotti ad Atene si sono concentrati brevemente anche su questi punti. Le stazioni di rilevamento sono state assegnate a tre gruppi: le stazioni situate nella zona centrale della città, le stazioni appartenenti alla zona suburbana e le stazioni posizionate all interno di parchi o di aree verdi. Il successivo calcolo dei carichi di riscaldamento ha portato ai seguenti risultati: 3.7 kwh/m 2 /mese per la zona centrale, 5.1 kwh/m 2 /mese per le zone suburbane e 7.3 kwh/m 2 /mese per le aree verdi ed i parchi. Dunque, le temperature maggiori riducono di circa il 30% il carico di riscaldamento della zona centrale. Il divario maggiore, comunque, calcolato tra la zona centrale ed una stazione posta nelle zone suburbane ha raggiunto il 55%. A Londra, Watkins et al (2002), ha utilizzato come input del suo modello i dati di circa ottanta stazioni di rilevamento per calcolare il carico di raffreddamento e di riscaldamento di un edificio composto di uffici con caratteristiche standard. La simulazione, condotta per varie posizioni dell edificio all interno di Londra, ha indicato una riduzione pari al 22% del carico di riscaldamento nella zona centrale rispetto alle 55

56 zone rurali limitrofe. Kolokotroni et al (2006), in un altro studio, è pervenuto allo stesso risultato: l edificio modellato, anche in questo studio composto di uffici, ha mostrato un risparmio annuale del 22% sul carico di riscaldamento grazie all effetto UHI. Tornando a studi condotti in Grecia, Caouris et al (2005) si sono concentrati su un calcolo riguardante i gradi-giorno di riscaldamento nella città costiera di Patras. Sono state posizionate dieci stazioni di rilevamento in zone urbane, suburbane e rurali. Seppure sia noto che le zone costiere risentono della mitigazione del mare, talvolta annullando gli effetti UHI, il risultato fu comunque interessante: per una temperatura base di 14 C, le zone suburbane necessitavano del 33.7% di gradi-giorno in più mentre le zone rurali necessitavano di un valore maggiore di circa il 39.1%. Per una temperatura base di 18 C, la riduzione rispetto alle zone rurali e suburbane, in termini di gradi-ora, fu del 22.3% e del 16.9% rispettivamente. Risulta chiaro, a questo punto, come l effetto UHI possa fornire un effettivo risparmio in termini energetici durante la stagione fredda. Da qui nasce l esigenza di una analisi a spettro ampio: nel momento in cui si volesse mitigare il fenomeno riducendone il grave impatto negativo nei mesi caldi, risulterebbe opportuno conoscerne l impatto nella stagione fredda ed i diversi fattori-causa che consentirebbero di adottare strategie di mitigazione con obiettivi di miglioramento su base annua. 4.3 L impatto sul ricambio d aria e sulle tecniche di ventilazione naturale Nei capitoli precedenti si è già spiegato l effetto della geometria urbana sui venti. In particolare, all interno dei cosiddetti canyon urbani, il potenziale di raffrescamento naturale risulta essere seriamente compromesso. Esperimenti condotti da Santamouris (1999) su dieci profondi canyon urbani hanno mostrato come, all interno del canyon, raramente la velocità del vento raggiunga valori superiori a 1m/s, indipendentemente dalla velocità del vento ad di sopra degli edifici. La figura seguente illustra, a titolo di esempio, l andamento della velocità del vento in un canyon urbano, confrontata con la velocità del vento sopra gli edifici. 56

57 Figura 35 - Velocità del vento misurata all'interno ed all'esterno di un canyon urbano rappresentativo. La drastica riduzione di velocità subita dai flussi d aria lambenti gli edifici dei centri urbani porta ad un ovvio effetto di calo del ricambio d aria naturale a causa della riduzione di portata d aria. Le tecniche di ventilazione naturale, le quali sfruttano il ricambio d aria dato dalla velocità del vento e la differenza di temperatura interno-esterno degli edifici, in assenza di provvedimenti urbanistici che facilitino la circolazione dell aria risultano dunque compromesse. Simulazioni condotte ad Atene hanno dato modo di quantificare la riduzione in termini di efficacia delle tecniche citate. Le simulazioni, utilizzando dati di temperatura e di velocità del vento raccolti in dieci canyon all interno della città di Atene (Geros e al, 2004), hanno considerato due configurazioni: single-side e cross. La figura seguente vuole ricordare il principio di funzionamento delle due configurazioni. 57

58 Figura 36 - Illustrazione schematica di una configurazione single-side (a sinistra) e cross (a destra) per la ventilazione naturale di un edificio La perdita di portata d aria è stata stimata confrontando i risultati ottenuti all interno dei canyon con i risultati ottenuti inserendo in input i dati di temperatura e di velocità del vento al di sopra degli edifici. Durante il giorno, quando la velocità del vento al di fuori del canyon risulta essere decisamente più elevata della velocità all interno, condizione in cui i fenomeni inerziali dominano sugli effetti gravitazionali, la portata d aria (in termini di m 3 /h) è ridotta di circa cinque volte per configurazioni single-side e di circa dieci volte per configurazioni cross. Questo accade per velocità del vento indisturbato superiori ai 4m/s (il termine indisturbato è da intendersi in relazione all interno del canyon urbano in quanto, come si è visto nei paragrafi riguardanti il profilo logaritmico del vento, anche al di sopra degli edifici la velocità del vento risulta ridotta); per velocità inferiori a valori di 3-4m/s i fenomeni gravitazionali dominano sui fenomeni inerziali e la differenza di velocità tra interno ed esterno del canyon si riduce fino a perdere d importanza [19]. Durante la notte la velocità del vento cala fortemente: il risultato è una portata d aria pressoché identica tra esterno ed interno al canyon urbano. Utilizzando questi dati lo studio è proseguito per fornire una stima dell aumento del carico di raffreddamento dei condizionatori d aria, dovuto alla diminuzione di efficacia delle tecniche di ventilazione naturale. In sintesi, per configurazioni single-side, il carico di raffreddamento artificiale risultava aumentato da un valore del 6% fino ad un valore dell 89% a seconda del posizionamento all interno della città di Atene. Per configurazioni cross il carico dei condizionatori d aria doveva aumentare dal 18% al 72% (Geros et at, 2004). 58

59 Kolokotroni et al (2006) si sono occupati di investigare la perdita di efficacia delle tecniche di ventilazione naturale a Londra. A causa della geometria urbana e all innalzamento delle temperature, durante una tipica calda settimana estiva, l edificio di riferimento nella zona rurale richiedeva all incirca l 84% del carico di raffreddamento (si parla, quindi, di carico elettrico) del corrispondente edificio posto nella zona urbana. Inoltre, nel caso entrambi gli edifici fossero ottimizzati per sfruttare la ventilazione naturale, il divario vedeva un risparmio del 58% dell energia richiesta dall edificio in zona rurale rispetto al corrispondente urbano. Comunque, l edificio posizionato nella zona urbana, se ottimizzato, richiedeva circa il 10% in meno di energia rispetto allo stesso non ottimizzato. 4.4 L impatto sull inquinamento dell aria Ancora una volta è necessario considerare gli effetti sui movimenti d aria del fenomeno UHI. Oltre all aumento di turbolenza, infatti, l isola di calore ha effetti anche sui venti locali. Soprattutto in condizioni di calma o di venti deboli in particolare, quindi, di notte si possono sviluppare sistemi di circolazione analoghi a brezze di mare. L aria calda al centro della città abbassa localmente la pressione, inducendo una circolazione toroidale: flussi d aria convergono nei bassi strati dalle aree suburbane e rurali circostanti verso il centro della città, si sollevano e, giunti ad una quota sufficiente, divergono radialmente verso la periferia, scendendo gradualmente verso la superficie. Una schematizzazione di questo effetto è fornita dalla figura seguente. Figura 37 - Circolazioni indotte dall'isola di calore. 59

60 Tali circolazioni si sviluppano all interno di una struttura complessa e non costante. In prossimità dei grandi parchi cittadini si sviluppano circolazioni analoghe ma con le direzioni dei flussi invertite (Oke, 1995). Le circolazioni indotte dall UHI possono interagire in modo complesso con altre circolazioni locali (brezza mare-terra, brezze di valle) e gli effetti sulla qualità dell aria possono essere rilevanti, ma non è noto a priori se positivi o negativi. Consci degli effetti sulle circolazioni locali sarà dunque necessario studiare la conformazione urbana volta per volta al fine di ottenere una valutazione degli effetti sull inquinamento atmosferico. La presenza di uno strato turbolento notturno, sovrastato da un inversione termica in quota, diluisce l effetto locale delle emissioni inquinanti distribuendole in tutta l area urbana; d altra parte, può in questo modo favorire le reazioni chimiche che danno luogo alla formazione di particolato secondario. Inoltre, quando di notte il pennacchio del camino di un industria raggiunge lo strato turbolento della città, rapidamente i fumi, che fino a quel momento rimanevano confinati in quota, vengono rimescolati fino alla superficie dando luogo al pericoloso fenomeno della fumigazione (fumigation). Figura 38 - Dispersione degli inquinanti in relazione alla stabilità: il fanning rappresenta il tipico comportamento notturno in presenza di inversione termica con turbolenza praticamente assente (sopra), la fumigazione (fumigation) è la condizione opposta in cui lo strato di instabilità favorisce una dispersione a terra (sotto). 60

61 Ancora, le circolazioni toroidali indotte dall UHI possono richiamare dalla campagna aria più pulita ma possono anche far convergere verso il centro l aria inquinata di aree industriali o arterie stradali periferiche. Alcuni studi condotti da Sarrat et al (2006), nella regione di Parigi, hanno confermato quanto sopra investigando circa l impatto dell UHI notturna e diurna sull inquinamento atmosferico. Lo studio si è rivolto principalmente agli inquinanti locali di tipo primario e secondario, in particolare ai livelli di ozono troposferico e di ossidi di azoto (NO x ), rilevando come la presenza e la distribuzione spaziale degli inquinanti fosse direttamente correlata all aumento di turbolenza indotta dalle circolazioni di cui sopra. Stahopoulou et al (2006) hanno dimostrato come ad Atene le concentrazioni di ozono troposferico siano fortemente correlate alle temperature. Parallelamente, i loro studi hanno mostrato come l andamento della concentrazione di inquinante segua le variazioni di temperatura, in particolare durante il giorno in cui l ozono troposferico raggiunge i livelli più elevati. 4.5 I casi di Modena e di Atene Questo paragrafo si propone di analizzare le caratteristiche del fenomeno UHI della città di Modena e di Atene, in particolare considerando gli andamenti delle temperature. I dati disponibili sono assai differenti sia per le tecniche di raccolta che per quantità e qualità. In ogni caso sarà possibile terminare il paragrafo con qualche conclusione interessante rivolta alle implicazioni delle diverse caratteristiche temporali del fenomeno nelle due località La città di Modena Al fine di descrivere le variazioni di temperatura e di umidità indotte dalla presenza dell area urbana di Modena sono stati analizzati i dati orari raccolti dalla stazione meteorologica urbana nel periodo ottobre 2004 settembre Successivamente i dati sono stati confrontati con quelli provenienti dalla stazione meteorologica rurale di Albareto (Modena). La stazione, composta da un anemometro, un termo-igrometro, un pluviometro, un barometro e un radiometro è collocata sopra il tetto di un edificio di via Santi. Questa 61

62 particolare collocazione è stata dettata da un tentativo di ricavare misure anemometriche non influenzate dalle disomogeneità morfometriche del terreno tipiche delle aree urbane. I dati di temperatura e di umidità risentono del particolare posizionamento, influenzati dalle perturbazioni dovute agli scambi termici dell edificio con l atmosfera e dall impermeabilità della superficie del tetto. Inoltre, non possono essere considerati una perfetta rappresentazione della temperatura e dell umidità al livello della strada (all interno dello strato di copertura urbana, UCL): è probabile che l aria sopra l edificio sia più secca e soggetta ad escursioni termiche maggiori rispetto all aria a livello stradale; ancora, è possibile una leggera sottostima della temperatura rispetto alla zona dell UCL. Infine, la struttura termo-igrometrica di una città come si è visto nei capitoli precedenti può presentare diverse ed importanti disomogeneità: è improbabile che il confronto tra dati di due sole stazioni meteorologiche possa dare indicazioni rappresentative dell intera struttura urbana. Tenendo presenti queste cautele nell analisi e nella generalizzazione dei risultati, l analisi statistica ha mostrato alcuni dati interessanti. Fondamentalmente i dati si pongono in accordo con l andamento classico dell UHI riportata dalla letteratura (vedi paragrafo 2.3). L area urbana si mostra più calda rispetto all area rurale. Le differenze di temperatura più marcate si verificano di notte, soprattutto nella stagione estiva: tipicamente il ΔT atmosferico rimane tra 2 C e 5 C ma raggiunge eccezionalmente valori di 8 C. L effetto UHI pare annullarsi pressoché completamente durante il giorno. Si riporta l analisi sui dati raccolti svolta a cura del Dipartimento di Statistica dell Università di Bologna. 62

63 Figura Differenze di temperatura ( C) tra la stazione urbana di Modena e la stazione rurale di Albareto (MO) nel trimestre giugno-luglio-agosto Per ciascuna ora della giornata sono riportati minimo, massimo, primo e terzo quartile e mediana. Figura 17 - Distribuzioni di frequenza delle differenze di temperatura ( C) tra la stazione urbana di Modena e la stazione rurale di Albareto (MO) nei trimestri giugno-agosto 2005 (JJA) e dicembre 2004-febbraio 2005 (DJF), distinte per fasce orarie diurna ( GMT) e notturna ( GMT). 63

64 4.5.2 La città di Atene Durante il climate experiment condotto ad Atene nel corso della primavera del 1996 furono posizionati venti stazioni automatiche per il rilevamento di temperatura ed umidità. Successivamente, tale numero fu portato a trenta stazioni. La strumentazione fu selezionata in modo da soddisfare numerosi requisiti tra cui il basso costo in modo da poter coprire una zona il più vasta possibile, una accuratezza soddisfacente in accordo con gli international meteorological standards, una scarsa necessità di manutenzione ed una elevata capacità di immagazzinamento dati. I sensori utilizzati sono descritti nel dettaglio in Santamouris et al (1996). I luoghi in cui posizionare i sensori sono stati selezionati in modo da coprire al meglio la regione di Atene, con i seguenti criteri: ottenere informazioni riguardo le zone confinanti la regione di Atene studiare le zone ad elevata densità di edifici e ad elevato traffico studiare le zone ad elevata densità di edifici a traffico ridotto studiare le condizioni all interno delle aree verdi posizionate nel centro della città studiare le zone a media densità di edifici La mappa indicante il posizionamento dei sensori nella regione di Atene è riportata nella figura seguente. 64

65 Figura 41 - Posizionamento delle trenta stazioni di rilevamento automatiche nella regione di Atene. Come si vede, sette stazioni sono state posizionate nella zona assolutamente centrale di Atene, 26 stazioni sono state posizionate nell area urbana, disposte radialmente attorno al centro e una stazione è stata posizionata nella zona rurale confinante, per essere utilizzata come stazione di riferimento. I dati raccolti sono stati analizzati in modo da consentire una valutazione dell entità e della distribuzione dell UHI di Atene. Le temperature più alte sono state rilevate durante il periodo estivo nella zona centrale, in particolare durante il giorno. Nell immagine seguente 12 stazioni posizionate tra il centro (definito very central area) e la zona urbana confrontano il dato rilevato con la stazione di riferimento. 65

66 Figura 42 - Differenza di temperatura tra le stazioni urbane e la stazione di riferimento espressa come funzione della temperatura assoluta della stazione urbana durante alcuni giorni del periodo estivo, Atene Come si vede, l aumento di temperatura nella zona centrale raggiunge valori di 15 C. L intensità dell isola di calore diurna, per molte delle zone urbane centrali, è prossima a 10 C; nelle zone suburbane, invece, l intensità raggiunge valori compresi tra i 6 C e i 2 C. La figura seguente, illustra i medesimi andamenti rispetto al periodo notturno. 66

67 Figura 43 - Differenza di temperatura tra le stazioni urbane e la stazione di riferimento espressa come funzione della temperatura assoluta della stazione urbana durante alcune notti del periodo estivo, Atene In questo caso l intensità dell UHI varia tra 2 C e 5 C. Le aree verdi presentano valori inferiori di 2-3 C rispetto alla stazione di riferimento. I dati disponibili per la città di Atene riguardano anche il periodo invernale. Risulta possibile, quindi, un confronto. Durante il periodo invernale, l intensità dell UHI non si riduce in modo significativo se comparata con il periodo estivo. Durante il giorno, l intensità media nella zona centrale di Atene è prossima a 10 C mentre si riduce a circa 3-6 C nelle zone suburbane circostanti. Durante il periodo notturno l intensità media rimane prossima ai 10 C, variando a seconda della posizione della stazione. Questi ultimi dati, che confermano una intensità dell UHI invernale notturna superiore all UHI estiva notturna, possono essere ricondotti al calore disperso dagli edifici per il riscaldamento. 67

68 Le figure seguenti completano il quadro, riportando le differenze di temperatura tra alcune stazioni urbane e la stazione di riferimento, nel periodo invernale diurno e notturno. Figura 44 - Differenza di temperatura tra le stazioni urbane e la stazione di riferimento espressa come funzione della temperatura assoluta della stazione urbana durante alcuni giorni del periodo invernale, Atene

69 Figura 45 - Differenza di temperatura tra le stazioni urbane e la stazione di riferimento espressa come funzione della temperatura assoluta della stazione urbana durante alcune notti del periodo invernale, Atene Il confronto Pur considerando la marcata differenza di quantità e qualità di dati, le due località mostrano chiaramente un aspetto interessante: un diverso andamento temporale dell isola di calore. Modena, infatti, rispetta l andamento che la letteratura ha voluto assegnare al fenomeno, spesso tralasciando volutamente l esistenza di casi in cui questo andamento non sia rispettato. L UHI diventa quindi un fenomeno notturno che, con il sopraggiungere delle prime luci dell alba tende ad affievolirsi fino a perdere d importanza. D inverno il fenomeno tende a presentarsi con caratteristiche leggermente diverse, e con intensità minore. Atene sviluppa un isola di calore con caratteristiche decisamente differenti. L andamento temporale contrasta con il corrispondente modenese e, dunque, con la 69

70 letteratura. I valori più elevati si mostrano durante il giorno con intensità talvolta elevatissime. Di notte l UHI non scompare ma appare più attenuata rispetto alle ore di irraggiamento solare. Le temperature riscontrate in corrispondenza delle aree verdi confermano l ormai consolidata sapienza che queste siano in grado di smaltire il calore più efficacemente: pertanto non faranno parte del confronto tra le due località. Anche il periodo invernale presenta caratteristiche interessanti: l UHI di Atene, durante i mesi freddi, presenta una intensità media pari a quella estiva. L idea è che, come già accennato nei capitoli precedenti, le caratteristiche temporali dell UHI possano suggerire quali siano i fattori-causa predominanti nello sviluppo del fenomeno. Più precisamente, l andamento classico con toni notturni maggiori, sarebbe imputabile ad una predominanza delle caratteristiche ottiche dell ambiente urbano. La letteratura, infatti, ha innanzitutto puntato il dito su queste caratteristiche per rispondere alle cause dell UHI. Oltre a queste, un ruolo importante sarebbe comunque giocato dalla geometria urbana nel facilitare un maggiore flusso di calore immagazzinato. Un andamento contrastante, mostrato dalla città di Atene ma anche dalla città di Parma, con valori di ΔT atmosferico più marcati di giorno, porterebbe ad ipotizzare una predominanza di fattori antropogenici e di elementi propri della geometria urbana, in questo caso responsabili di un eccessivamente ridotto di ricambio d aria. Queste idee troverebbero sostegno nell analisi degli esperimenti condotti da Santamouris (1999) riguardo agli effetti dei canyon urbani della città di Atene sulla velocità del vento: come riportato nei paragrafi precedenti, l effetto di riduzione in termini di portata d aria risulta decisamente elevato durante il giorno mentre, di notte, la struttura urbana consentirebbe al vento di attraversare il canyon pressoché indisturbato, benché a ridotta velocità. Inoltre, l intensità dell UHI durante l inverno assume connotati simili all UHI estiva: i fattori-causa del fenomeno durante i mesi caldi differiscono in termini di peso relativo dai corrispondenti nei mesi freddi, lasciando un ruolo più importante al calore di origine antropogenica e riducendo la portata degli effetti delle caratteristiche ottiche della struttura urbana (a causa del minor irraggiamento solare). Quanto detto suggerisce un forte peso del calore di origine umana anche durante la stagione estiva. Ovviamente, la scarsità di aree verdi e la conseguente ridotta evaporazione (o, per richiamarsi alla letteratura, integrando i processi di scambio delle piante stesse nel termine, evapotraspirazione) deve essere considerata caratteristica accomunante. Tipica 70

71 di qualunque ambiente urbanizzato, la scarsità di verde deve essere vista sempre come uno dei primi elementi scatenanti l innalzamento delle temperature. Le figure seguenti mostrano, a scopo illustrativo, un confronto tra il centro di Modena ed il centro di Atene. Figura 46 - Immagine illustrativa del centro di Atene. 71

72 Figura 47 - Immagine illustrativa del centro di Modena. Utilizzando alcune variabili fisiografiche, i cui riferimenti si trovano nell Appendice A, si riporta un breve confronto tra le due località. Riferendosi alle zone climatiche urbane (UCZ) proposte da Oke (2006) Atene potrebbe rientrare all interno della prima classe, definita come zona intensamente urbanizzata con edifici separati, ravvicinati, ad elevato sviluppo verticale, con rivestimento. Apparterrebbe dunque ad una classe di rugosità 8 con un rapporto di verticalità dei canyon urbani λ s maggiore di 2 (rapporto tra l altezza e la larghezza dei canyon, λ s =z H /W x ) ed una superficie impermeabile totale supererebbe il 90% delle superfici. Il centro di Modena, invece, appare descritto in modo migliore da una classe 2. Si tratta di una zona intensamente e molto densamente urbanizzata, con edifici a 2-5 piani, contigui o molto ravvicinati, spesso di mattoni o pietra. La classe di rugosità scende a 7 con un rapporto di verticalità dei canyon urbani λ s pari a ed una superficie impermeabile totale superiore all 85%. 72

73 Grazie alla classificazione di Davenport (Davenport et al, 2000) risulta possibile effettuare un semplice confronto sulla rugosità del terreno. Questo può aiutare a comprendere l influenza della geometria urbana di Atene esercitata in modo così marcato sui venti. Atene risulterebbe dunque appartenente alla classe 8, definita come caotica, in cui si presenta un centro città con mescolanza di edifici bassi ed edifici ad elevato sviluppo verticale. La lunghezza di rugosità z 0 (vedi paragrafo 2.1) risulta pari a 2.0m. Modena, come appare in figura 48, attribuibile alla classe 7, skimming, risulta un area densamente edificata, senza variazioni di rilievo nell altezza degli edifici, con una lunghezza di rugosità z 0 pari a 1.0m. Le variabili utilizzate, presentate nell Appendice A, principalmente confermano la presenza di una differente geometria urbana. Assieme ai dati rilevati sulle temperature ed ai ragionamenti proposti nel paragrafo 3.4, forniscono modo di supporre un equilibrio diverso tra i fattori-causa di origine antropogenica e gli elementi responsabili di un maggior accumulo termico. La comprensione del peso relativo dei possibili fattori-causa dell isola di calore è fondamentalmente riposta nella accorta scelta della più appropriata tecnica di mitigazione. Questo nel momento in cui si volesse non solo preservare il vantaggio energetico del fenomeno invernale ma anche massimizzare l efficacia della tecnica prescelta nel contrastare la pericolosa UHI estiva. Le tecniche di mitigazione saranno trattate nel prossimo capitolo. 73

74 5. Le tecniche di mitigazione In questo capitolo saranno sinteticamente descritte le tecniche di mitigazione al fenomeno dell UHI. La trattazione eviterà l approfondimento, limitandosi alle linee generali delle tecniche esistenti, prefissandosi il solo scopo di una migliore comprensione del capitolo successivo il quale riguarderà i benefici energetici ottenibili con alcune delle tecniche qui descritte. Le tecniche di mitigazione che si sono dimostrate efficaci nel combattere il fenomeno dell isola di calore sono suddivisibili in due rami principali: le tecniche degli spazi verdi e le tecniche dei materiali freddi. 5.1 Gli spazi verdi L importanza delle aree verdi è stata largamente sottolineata da molti ricercatori Europei come Harrison et al (1995), Eliasson (2000), Handley et al (2003). Alberi e piante sono in grado di filtrare la radiazione solare, bloccandone una quota che può raggiungere il 70-85% (Papadakis et al, 2001). Inoltre, facilitano l assorbimento dell acqua piovana garantendo al tempo stesso una maggiore evaporazione e, di conseguenza, sottraendo calore. Le tecniche riguardanti le aree verdi possono suddividersi in due campi: un largo uso di parchi, all interno delle mura cittadine; un largo uso di giardini pensili, estensivi od intensivi I parchi I parchi sono in grado di contribuire all abbassamento delle temperature urbane. Le zone alberate creano zone d ombra, contribuendo ad abbassare le temperature superficiali e, di conseguenza, lo scambio convettivo tramite il quale si riscalda l aria dello strato di copertura urbana (UCL). L utilizzo di zone alberate al di fuori dei parchi è in grado di sortire lo stesso effetto. Un ulteriore vantaggio è costituito dalla possibilità di scegliere alberi che, perdendo il 74

75 proprio fogliame durante la stagione fredda, diminuiscano od esauriscano i propri effetti d ombra durante i mesi di più scarso irraggiamento solare. La figura seguente illustra una possibile applicazione. Figura 48 - Copertura alberata in grado di generare una zona d'ombra, Virginia (USA). Un secondo aspetto interessante è la già citata evapotraspirazione. Il processo di evaporazione, sommato al processo di traspirazione del fogliame, agisce elevando il flusso di calore latente a vantaggio di una temperatura più fresca dell aria circostante. L incremento del flusso di calore latente dovuto alla evapotraspirazione contribuisce, in particolare se associato alla maggior estensione di zone ombreggiate, ad attenuare i picchi di temperatura tipici della stagione estiva. Alcuni studi [23,24] hanno quantificato i benefici ottenibili, riassumendoli come segue: - le temperature di picco all interno dei parchi fittamente alberati sono inferiori di 5 C rispetto al terreno aperto; - le temperature dell aria soprastante aree con vegetazione irrigata rimangono circa 3 C più fresche rispetto ad aree caratterizzate da coperture impermeabili; - le aree suburbane con alberi adulti mostrano temperature di circa 3 C inferiori alle aree suburbane senza alberi; 75

76 - le temperature dell aria soprastante campi sportivi con copertura erbosa permangono a temperature da 1 C a 2 C inferiori rispetto alle zone confinanti. Numerosi studi hanno quindi confermato la capacità delle aree verdi di permanere a temperature più basse rispetto alle zone urbane in cui siano inserite. L effetto globale è pertanto una capacità di agire riducendo le temperature della zona urbana. D altra parte, l effetto dipende fortemente dall estensione della zona verde (il parco) e dalla distanza di questo dagli edifici. Gli studi di Gomez et al (1998), comparando le temperature delle aree verdi rispetto alla zona urbana edificata, riportano una differenza di temperatura pari a circa 2.5 C rispetto alla temperatura massima raggiunta dalla zona edificata. Per contro, gli studi di Von Stülpnagel (1987) e Von Stülpnagel et al (1990) condotti a Berlino, suggeriscono gli l influenza dei parchi in termini di temperatura si limita ad una zona molto ristretta confinante il parco stesso: la stima è di soli m dal confine del parco in una giornata di vento calmo. Ancora, gli studi di Handley et al (2003) asseriscono che un parco debba avere un estensione di almeno un ettaro per ottenere una influenza positiva sulle temperature e che, dunque, sia assolutamente necessario un elevato numero di parchi per contrastare il fenomeno UHI I giardini pensili Il meccanismo d azione delle tecniche riguardanti i cosiddetti tetti verdi è sostanzialmente lo stesso dei parchi. Il giardino, posto sul tetto di un edificio, fornisce ombra e contribuisce ad abbassarne la temperatura tramite evapotraspirazione. Figura 49 - Il tetto del municipio di Chicago, con giardino pensile, è in grado di permanere a temperature 40 C inferiori di rispetto alla copertura convenzionale, National Center of Excellence/ASU. 76

77 Molti ricercatori si sono occupati di confrontare le performance termiche dei tetti verdi con le coperture tradizionali. Ad esempio: - A Chicago [25] sono state confrontate le temperature superficiali esterne di un tetto verde con i vicini tetti con coperture convenzionali; nel primo pomeriggio di una giornata di Agosto la temperatura superficiale del tetto verde assumeva un valore di C mentre la copertura tradizionale raggiungeva valori di circa 76 C; la temperatura dell aria soprastante il tetto verde si trovava a circa 4 C in meno rispetto al tetto tradizionale. - In Florida [26] uno studio simile al precedente ha osservato che mediamente la temperatura massima di un tetto verde assumeva valori pari a circa 30 C mentre l adiacente copertura tradizionale, seppure ricoperta con una vernice chiara, raggiungeva temperature pari a 57 C. Altre ricerche si sono orientate al calcolo dei benefici ottenibili in termini di riduzione delle temperature dall applicazione su larga scala dei tetti verdi. - Una simulazione condotta a Toronto (Canada) [27] ha mostrato come l applicazione di una copertura verde al 50% dei tetti dell intero centro urbano porterebbe ad una riduzione di temperatura compresa tra 0,1 C e 0,8 C nell intera città; se irrigati artificialmente, i tetti verdi avrebbero portato ad una diminuzione delle temperature fino a 2 C. - Uno studio analogo condotto sulla città di New York [28] ha considerato gli effetti di una conversione totale dei tetti convenzionali in green roofs sulle temperature dell aria a 2m di altezza dal suolo; i risultati mostrano una riduzione della temperatura media giornaliera di circa 0,2 C nell intera città; a metà pomeriggio la riduzione avrebbe raggiunto un valore di 0,4 C. Esistono due principali tipologie di giardini pensili. La prima riguarda i giardini di tipo estensivo. Questi sono principalmente composti di piante tipiche degli ambienti alpini, tenaci e resistenti a climi difficili. La copertura sarà costituita di piante di scarsa altezza e di peso molto limitato: il vantaggio risiede nel risparmio in strutture di sostegno dedicate ed in costi di manutenzione, compresa una scarsa necessità di irrigazione. I giardini cosiddetti intensivi, invece, assomigliano in tutto e per tutto ai parchi, costituiti dunque di qualunque tipo di pianta, alberi compresi. La struttura portante del tetto dovrà ovviamente essere rivista per poter sopportare il peso assai maggiore (lo studio deve 77

78 comprendere la quantità d acqua piovana che la terra deposta sul tetto è in grado di trattenere, elevando ulteriormente il proprio peso). Ripagati da una maggiore efficacia della contromisura nonché dalla possibilità di usufruire del tetto come parco vero e proprio, si sarà costretti ad una manutenzione continua e ad una costante irrigazione. Le figure seguenti schematizzano l applicazione di un tetto verde di tipo intensivo e di tipo estensivo. Figura 50 - Illustrazione schematica dell'applicazione di un tetto verde di tipo intensivo. 78

79 Figura 51 - Illustrazione schematica dell'applicazione di un tetto verde di tipo estensivo. Sebbene i meccanismi d azione dei tetti verdi siano i medesimi dei parchi, gli studi e le simulazioni condotte hanno sottolineato un effetto diverso. Oltre a contribuire alla diminuzione della temperatura dell UCL, essi fungono soprattutto da protezione termica degli edifici. Agendo da strato isolante, quindi, abbassano il flusso termico scambiato attraverso la struttura del tetto verso l ambiente interno (vedi paragrafi seguenti). Per contro, simulazioni condotte da Eumorfopoulou e Aravantinos (1999) hanno sottolineato come, pur contribuendo a ridurre il carico per il raffrescamento estivo, i tetti verdi non possano sostituire lo strato di isolamento termico del tetto il quale dovrà comunque essere installato. 5.2 I materiali freddi I cosiddetti materiali freddi (in inglese cool materials che, probabilmente, rende meglio l idea) rappresentano una tecnica per ridurre le temperature superficiali della struttura urbana. Questa è stata perlopiù utilizzata al fine di ridurre le temperature dei tetti i quali si ritrovano ad essere le coperture più soggette a surriscaldamento dovuto all irraggiamento solare. Le pavimentazioni stradali, invece, necessitano di analisi più complesse e saranno riprese in seguito. 79

80 Un materiale freddo è contraddistinto da un valore elevato dell albedo, cioè della capacità di riflettere l irradiazione solare incidente, combinato con un elevato valore dell emissività nell infrarosso, che consente di restituire all atmosfera la maggior parte della frazione assorbita dell irradiazione solare mediante irraggiamento termico. I materiali tradizionali assumono valori di riflessione della radiazione solare (albedo) compresi circa tra il 5 ed il 15%, assorbendone di conseguenza una quota compresa tra l 85 ed il 95%. Oggi si è in grado di realizzare coperture con albedo superiore al 65% [19]. Un materiale freddo ci si riferisce, in particolare, ad un tetto freddo si può ottenere applicando alla superficie uno strato di ricoprimento superficiale esterno con colore molto chiaro, preferibilmente bianco, e con carattere non metallico. Questo può fornire una soluzione sia al problema del surriscaldamento estivo degli edifici sia al correlato problema dell UHI. Dunque, una minore temperatura superficiale determina alcuni vantaggi diretti connessi al maggior comfort termico interno, ai minori consumi energetici e costi di impianto per il condizionamento ed al più lento degrado delle strutture edilizie; il vantaggio indiretto determina una riduzione del fenomeno UHI. Negli USA la diffusione dei materiali freddi, in particolare dei cool roofs, è oggi promossa da svariate amministrazioni ed organizzazioni pubbliche, specialmente in California e Florida. In Italia i vantaggi ottenibili da questa tecnica rimangono pressoché sconosciute ai più. Alcuni studi statunitensi hanno dimostrato che i tetti freddi possono permettere riduzioni dei consumi per il condizionamento e dei carichi elettrici di picco fino al 70% [22]. Si riporta una tabella riassuntiva di alcuni esperimenti condotti sui cool roofs per investigare sul possibile risparmio energetico durante la stagione estiva. Tabella 11 - Risparmi ottenibili mediante cool roofs. Edificio Posizione Citazione (m 2 ) Isolamento del tetto Risparmio annuale raffrescamento Risparmio in picchi di potenza Residence Convenience Retail Merritt Island, FL Austin, TX (Parker, D., S. Barkaszi, et al. 1994) (Konopacki, S. and H. Akbari 2001) 167 R-25 10% 23% 9290 R-12 11% 14% 80

81 Residence Residence Cocoa Beach, FL Nobleton, FL (Parker, D., J. Cum mings, et al. 1994) (Parker, D., S. Barkaszi, et al. 1994) 167 R-11 25% 28% 83,5 R-3 25% 30% Scuola Scuola Volusia County, FL Sacramento, CA (Callahan, M., D. Parker, et al. 2000) (Akbari, H., S. Bretz, et al. 1993) 134 R-11 33% 37% 89 R-19 34% 17% Scuola Savior Cocoa Beach, FL (Parker, D., J. Sherwin, et al. 1996) 929 R-19 10% 35% Residence Residence Cocoa Beach, FL Sacramento, CA (Parker, D., J. Cum mings, et al. 1994) (Akbari, H., S. Bretz, et al. 1993) 168 Nessuno 43% 38% 169,5 R-11 69% 32% Simulazioni condotte ad Atene hanno voluto quantificare l impatto di un innalzamento dell albedo su larga scala, in particolare studiando una versione urbanizzata del nonhydrostatic PSU/NCAR Mesoscale Model (Synnefa et al, 2006). I due scenari analizzati comprendono un primo scenario con valore di albedo delle coperture degli edifici convenzionale pari a 0.18 ed un secondo con albedo pari a In una tipica giornata estiva (15 Agosto), le simulazioni hanno mostrato una diminuzione di temperatura compresa tra 0.8 C e 1.6 C ad una altezza di 2m dal suolo, alle ore 15:00, nel centro della città Termocinetica dei materiali freddi La trattazione che segue fa particolare riferimento all applicazione dei materiali freddi ai tetti degli edifici. I processi di scambio termico che interessano il piano di copertura di un edificio soggetto ad irradiazione solare sono schematizzati nella figura seguente. 81

82 Figura Processi di scambio termico di un tetto piano. Il rapporto tra il flusso termico solare incidente G [Wm -2 ] e la frazione riflessa dello stesso, G r [Wm -2 ] è dato dall albedo della superficie irradiata, r. La radiazione solare si concentra nelle bande spettrali dell ultravioletto, del visibile e dell infrarosso vicino (lunghezze d onda < 2.5 μm). Si veda la figura seguente. Figura 53 - Energia solare normalizzata. 82

83 Per effetto dell assorbimento della radiazione solare incidente, il tetto si riscalda e restituisce energia termica all atmosfera attraverso la sua superficie esterna. La cessione di calore avviene per convezione ed irraggiamento. La quota ceduta per convezione, [Wm -2 ], si può stimare come Con h conv [Wm -2 K -1 ] coefficiente di scambio termico convettivo, temperatura superficiale esterna del tetto e temperatura dell aria atmosferica. [K] A va aggiunto il flusso termico netto scambiato per irraggiamento termico, [Wm -2 ], che è il bilancio netto tra il flusso termico emesso dalla superficie del tetto verso la soprastante atmosfera ed il flusso termico ceduto dall atmosfera alla superficie del tetto. Questo meccanismo di scambio termico riguarda le bande spettrali dell infrarosso medio e lontano (lunghezze d onda > 2.5 μm), ben distinte quindi da quelle dell irradiazione solare, poiché le temperature del tetto e dell atmosfera sono molto minori di quelle della superficie solare (attorno a 300 K contro circa 5800 K). La quota ceduta per irraggiamento può essere stimata come Il coefficiente di scambio termico radiativo [Wm -2 K -1 ] può essere stimato come dove con si indica l emissività della superficie nell infrarosso medio e lontano (diversa quindi dall emissività totale, cioè quella relativa a tutto lo spettro della radiazione elettromagnetica termica). L infrarosso medio e lontano sono le bande spettrali cui si concentra la radiazione elettromagnetica termica emessa dal tetto e, più in generale, quella emessa da tutti i corpi solidi a temperatura prossima a quella ambiente. Il coefficiente è la costante di Stefan-Boltzmann [5, W/(m 2 K 4 )]. L emissività costituisce il rapporto tra il flusso termico che la superficie in esame effettivamente emette verso l esterno (cioè verso l atmosfera) ed il massimo flusso termico che può essere teoricamente emesso alla temperatura della superficie. Ciò consente di definire un valore limite per il coefficiente di scambio termico radiativo,, e di scrivere complessivamente 83

84 Per edifici di normali dimensioni ed in assenza di vento (per esempio, in una afosa giornata estiva) assume valori inferiori a 2 3 W/(m 2 K) mentre assume valori sempre maggiori di 6 7 W/(m 2 K). Ne consegue che, negli scambi termici tra tetto ed atmosfera esterna, l irraggiamento è in generale dominante, soprattutto se l emissività superficiale del tetto è elevata. In definitiva, il flusso termico conduttivo che attraversa la superficie del tetto, [W/(m 2 K)], è dato dal bilancio della radiazione solare non riflessa e degli scambi termici con l atmosfera per convezione ed irraggiamento: La frazione dell irradiazione solare incidente che viene assorbita dal tetto diminuisce all aumentare dell albedo r. Inoltre, l energia termica restituita dal tetto all atmosfera per irraggiamento nell infrarosso aumenta all aumentare dell emissività e. Pertanto, un tetto la cui superficie esterna presenta valori elevati sia dell albedo, vale a dire del coefficiente di riflessione in campo ottico, sia dell emissività in campo infrarosso, è un tetto che si riscalda poco, quindi un tetto freddo. L impatto che le proprietà emissive superficiali della copertura (albedo, emissività) hanno sul riscaldamento dei un edificio può essere agevolmente stimato per condizioni termiche stazionarie. E necessario tener conto che l assunzione comporta un discreto grado di approssimazione che si riduce solo in presenza di coperture con scarsa inerzia termica (vedi capitoli precedenti). Il flusso termico che attraversa la superficie esterna di un tetto (valutato nell equazione precedente), in condizioni stazionarie deve attraversare anche tutti gli strati sovrapposti di materiale costituenti il tetto (catramatura, isolamento termico, solai in cemento o laterizio, intonaco, eventuali intercapedini) fino a raggiungere i locali sottostanti. Assegnati la resistenza termica del tetto riferita all unità di superficie, R [m 2 K/W], il coefficiente di scambio termico adduttivo (convettivo e radiativo) alla superficie interna del tetto, h int [W/(m 2 K)], tipicamente poco variabile, e la temperatura interna dei locali sottostanti il tetto, T int [K], è possibile scrivere la relazione seguente: 84

85 Se ne ricava che un aumento dell albedo r comporta una proporzionale riduzione del secondo addendo a numeratore e, pertanto, del flusso termico q. Un effetto analogo si ottiene aumentando l emissività e. Dalla relazione appare che un aumento di e comporti anche un incremento del flusso q dovuto alla modificazione del primo termine a denominatore: tale incremento è, comunque, percentualmente piccolo in presenza di un isolamento termico anche blando (incluso in R). Incrementando la resistenza termica data dall isolamento, si riduce il flusso termico trasmesso, ma si ha anche un aumento della temperatura superficiale esterna del tetto, valutabile tramite la relazione: Nelle due figure seguenti sono presentati i risultati ottenuti applicando le equazioni precedenti ad una soluzione di copertura come quelle usualmente utilizzate in capannoni industriali ed edifici per servizi collettivi costituita da un solaio orizzontale in cemento armato rivestito superiormente da uno strato di isolante termico a bassa densità. Il rivestimento isolante è generalmente protetto contro gli agenti atmosferici da una guaina catramata. Le condizioni ambientali considerate sono: temperatura ambiente esterna pari a 30 C, irradiazione solare G pari a 500 W/m 2. Nell ambiente di sottotetto viene mantenuta una temperatura di 25 C. 85

86 Figura 54 - Flusso termico attraverso la copertura. Figura 55 - Temperatura superficiale esterna della copertura. La guaina catramata, generalmente nera o comunque di colore molto scuro, presenta un albedo estremamente ridotto, qui considerato pari a 0,05. Sebbene questa presenti una emissività termica elevata, la copertura non è in grado di smaltire l energia solare assorbita e, pertanto, si surriscalda, elevando il flusso termico trasmesso verso i locali interni e contribuendo all inasprimento dell effetto UHI. 86

87 Incrementando la resistenza dell isolante termico, R, si ha un minore flusso termico trasmesso; per contro, il provvedimento porterebbe ad un aumento della temperatura superficiale esterna. La copertura in metallo lucido presenta un valore di albedo piuttosto elevato (r=0,61) ma un ridotta emissività termica (e=0,25). Questa assorbe, dunque, una quota inferiore della radiazione solare rispetto alla guaina catramata ma non è in grado di smaltirla efficacemente verso l atmosfera soprastante. Gli effetti sono quindi pressoché invariati. La situazione si modifica fortemente se la copertura metallica lucida viene ricoperta da un sottile strato di vernice bianca con proprietà tali da lasciare invariato il valore di albedo ma incrementando l emissività. Si giunge, quindi, a ritenere ottimo il risultato ottenibile con un ricoprimento in gomma bianca oppure mediante una copertura composta di piastrelle ceramiche bianche. In questo caso sia il valore di albedo che di emissività sono elevati, garantendo una riduzione del flusso termico equiparabile a quella data da un consistente strato di isolante ma con temperature superficiali esterne contenute. Tali configurazioni determinano un cosiddetto cool roof Ulteriori considerazioni La scelta dei cool roofs, allo scopo di creare superfici che mantengano temperature inferiori, suggerisce quindi la posa in opera od il rivestimento di superfici con materiali ad emissività selettiva caratterizzati da eccellenti proprietà di riflessione nelle lunghezze d onda del visibile ed eccellenti proprietà d emissione nell infrarosso medio e lontano per consentire un efficace re-irraggiamento del calore assorbito. Le caratteristiche selettive, utili alla mitigazione dell UHI ed alla riduzione del flusso di calore verso i locali interni agli edifici, consentono una diversa risposta del materiale in termini di albedo ed emissività a seconda della lunghezza d onda della radiazione incidente. La risposta desiderata sarà ovviamente opposta a quella utile nel solare termico: il perfezionamento dei pannelli solari prevede, infatti, un elevato assorbimento (= bassa riflessione) nella gamma della radiazione solare, principalmente nella lunghezza d'onda visibile e bassa emissione (= alta riflessione) nella gamma dell infrarosso, in modo tale da disperdere meno calore possibile. 87

88 D altra parte, uno dei problemi tecnologici principali riguarda il mantenimento delle proprietà ottiche ed emissive del materiale nel tempo. La superficie è infatti soggetta a sporcamento e incrostazioni; inoltre coperture e vernici di natura organica possono subire modificazioni nella composizione chimica, con tendenza a cambiare colore. Sebbene questo non modifichi sensibilmente l emissività può avere impatti drammatici sull albedo. Va infine rilevato che l adozione di un cool roof o, comunque, di materiali freddi presenta i massimi benefici in situazioni climatiche prevalentemente calde o, quantomeno, caratterizzate da estati calde e afose. Nel riscaldamento invernale, si ha una perdita degli apporti energetici gratuiti del sole che in certi climi può ridurre molto ed anche annullare la convenienza economica dei cool roofs (vedi capitoli successivi). Alcuni studi condotti da Synnefa et al (2006) dimostrano, comunque, che superfici aventi coperture fredde tendano alle medesime temperature superficiali delle coperture convenzionali nei mesi da Agosto a Dicembre: ciò significa che l effetto del materiale freddo va scemando di pari passo con la minore radiazione globale giornaliera, riducendo i propri effetti durante la stagione invernale. Un ultima digressione è doverosa nei confronti delle pavimentazioni stradali. Come illustra la figura seguente, queste sono affette dalle medesime problematiche di surriscaldamento mostrate da tetti e superfici verticali ma richiedono un analisi più complessa. Figura 56 - L'immagine rappresenta alcune pavimentazioni convenzionali di Phoenix, Arizona, le cui temperature raggiungono valori fino a 67 C. 88

89 Esse risentono maggiormente di fattori di degrado legati al traffico veicolare e pedonale; inoltre, il traffico veicolare somma una componente di riscaldamento per convezione mentre zone alberate e le stesse strutture urbane possono schermare la radiazione solare, creando zone d ombra. Alcuni studi hanno considerato i possibili vantaggi delle pavimentazioni cosiddette drenanti. Queste, caratterizzate da una struttura porosa, una volta bagnate danno luogo a fenomeni evaporativi grazie all umidità passata all interno. L evaporazione riduce, di conseguenza, la temperatura superficiale. Una volta asciutte, per contro, tali strutture possono limitare il flusso di calore attraverso la pavimentazione, raggiungendo temperature più alte in superficie. Lo stesso effetto, per contro, potrebbe garantire un minor flusso di calore immagazzinato ed una conseguente temperature inferiore notturna. Gli effetti globali sono dunque complessi ed incerti, e necessitano di ulteriori studi. 89

90 6. I vantaggi energetici Sono stati finora analizzati la definizione del fenomeno UHI e l impatto di questo sulle temperature dell ambiente urbano e sui consumi energetici durante la stagione invernale ed estiva. Sono state brevemente descritte le principali tecniche di mitigazione del fenomeno. Ora, lo scopo sarà comprendere quanto sia effettivamente possibile mitigare l UHI e quanto questo possa far diminuire i consumi energetici. Si deve comprendere, ovviamente, che nessuna tecnica è in grado di annullare l isola di calore urbana. In questo capitolo sarà presentato uno studio giapponese del 2007 preposto alla valutazione ed alla quantificazione dei benefici ottenibili dalla mitigazione dell UHI. In particolare, le tecniche utilizzate comprendono un albedo più elevato delle superfici verticali degli edifici e dei tetti, oltre ad una tecnica di umidificazione utile ad aumentare il flusso di calore latente (obiettivo, in parte, di tetti verdi e parchi). 6.1 Il modello utilizzato E interessante osservare le equazioni di un modello robusto per l analisi del fenomeno UHI. Interessante, se non per una analisi completa, almeno al fine di comprendere quali dati siano necessari in input. Si riportano quindi le formule alla base del modello CM- BEM [21] utilizzato dai ricercatori giapponesi in versione leggermente modificata per consentire una valutazione dei consumi energetici nella stagione fredda. Uno schema illustrativo è riportato nella figura seguente. 90

91 Figura 57 - Schema illustrativo del modello CM-BEM. Il modello è dunque suddiviso in due sottomodelli, CM e BEM. Il punto d arrivo è il calcolo del feedback, cioè di risposta, alle condizioni all interno dell UCL (temperatura dell aria, umidità relativa, direzione ed intensità del vento) e agli effetti del flusso di calore esterno (rilasciato dall edificio o da altre fonti esterne, come il traffico veicolare) dell edificio in termini di fabbisogno energetico. All interno del CM sono utilizzate le seguenti equazioni, le quali si rifanno alle equazioni di diffusione verticale unidimensionali per il calore sensibile ed il calore latente. 91

92 Il primo termine della parte destra delle equazioni rappresenta la diffusione verticale turbolenta del calore sensibile o latente. Gli altri termini (in cui * indica sensibile o latente, nella formula l o s ) rappresentano il flusso di calore proveniente dall edificio: Q* A il calore antropogenico, Q* V il calore dovuto al ricambio d aria dell edificio (ventilazione), Q* W il flusso di calore dai muri, Q* R il flusso di calore dal tetto. Ancora, C p ρ (J/m 3 K) è la capacità di calore sensibile dell aria, ζ (K) è la temperatura dell aria esterna, K h (m 2 /s) è il coefficiente di diffusione verticale turbolenta del calore sensibile, lρ (J/m 3 (kg/kg)) è la capacità di calore latente dell aria, q V (kg/kg) è l umidità specifica dell aria esterna, K q (m 2 /s) è il coefficiente di diffusione verticale turbolenta del calore latente. m (-) indica il reale rapporto di volume dell UCL definito come m={1-b 2 /(w+b) 2 P w (z)}, con b larghezza media dell edificio, w distanza media tra edifici, P w (z) il rapporto di costruzione (su area, rappresenta una misura della densità di edifici, in inglese building existence ratio). Gli scambi radiativi sono considerati nelle tre dimensioni. Le temperature superficiali ed il flusso di calore sensibile sono calcolati per le pareti esterne, tetti e pavimentazione stradale. Per le pareti, la radiazione viene calcolata individualmente per la parete nord, sud, est, ovest. Q w e Q R rappresentano il calore per unità di volume d aria alla quota z fino a z+dz all interno del canopy layer. H R e H W rappresentano il calore sensibile o latente dai detti (R) e dalle pareti esterne (W). Per quanto riguarda il sottomodello BEM il calcolo si riferisce alla budget termico dell edificio, basandosi sull approssimazione che questo sia un singolo parallelepipedo. Il carico di calore dell edificio è calcolato attraverso le due seguenti equazioni, rispettivamente per il carico di calore latente e sensibile. 92

93 Il carico di calore sensibile (H in ) è dato da, in ordine: il flusso di calore sensibile dato dal calore trasferito attraverso la parete, radiazione solare attraverso le finestre, ventilazione, calore interno dovuto ad apparecchiature ed illuminazione, calore emesso dalle persone occupanti. Il carico di calore latente (E in ) è dato da, in ordine: calore latente dovuto alla ventilazione ed emesso dalle persone occupanti. i e j rappresentano rispettivamente componenti del tetto e delle pareti e le finestre dell edificio: Ai (m 2 ) e Aj (m 2 ) rappresentano le corrispondenti aree. Gli altri elementi, all interno delle equazioni, sono: h i (W/m 2 K) coefficiente globale di scambio termico, ζ wi (K) temperatura delle superfici interne, ζ r (K) temperatura dell aria interna, ζ a (K) temperatura dell aria esterna, ε j S j (W/m 2 ) radiazione solare trasmessa attraverso le finestre, β (-) rendimento dello scambiatore di calore, V a ((m 3 /s)/m 2 ) volume di ricambio d aria per unità d area, A f (m 2 ) area totale del piano dell edificio, q E (W/m 2 ) calore interno dato da apparecchiature e illuminazione, Pϕ p (persone/m 2 ) densità di persone per unità d area, q hs (W/persona) calore sensibile emesso da una persona, q hl (W/persona) calore latente emesso da una persona, q Va (kg/kg) umidità specifica esterna, q Vr (kg/kg) umidità specifica interna. La temperatura interna ζ r e l umidità specifica interna q Vr sono calcolate tramite le equazioni seguenti. Dove Q B (J/K) capacità di calore totale dell edificio, V B (m 3 ) volume dell aria all interno dell edificio, H out (W) quota di calore sensibile estratta dal condizionatore d aria, E out (W) quota di calore latente estratta dal condizionatore d aria, δ p (-) schedulazione del funzionamento del condizionatore d aria (0-1), γ (-) misura del volume regolato dal condizionatore d aria, ζ rset (K) temperatura di set-point del condizionatore, q vrset (kg/kg) umidità specifica di set-point. Il condizionatore d aria genera un fabbisogno energetico per estrarre il calore E C (W) e per trasferire il calore Q A (W) all esterno. Le equazioni seguenti descrivono il funzionamento del condizionatore. 93

94 Q A è calcolato come calore sensibile Q As o calore latente Q Al a seconda della tecnologia utilizzata. Il COP è calcolato tenendo conto delle condizioni di funzionamento ed è correlato al calcolo della temperatura e dell umidità dell aria esterna. 6.2 Il quartiere scelto I ricercatori giapponesi si sono riferiti ad un particolare quartiere della zona di Tokyo per impostare i parametri utili alla simulazione. La scelta è stata diretta ad un quartiere rappresentativo, con caratteristiche medie rispetto a tutti i quartieri della regione analizzati. La posizione del quartiere scelto è illustrata dalla figura seguente. Figura 58 - Posizione del quartiere scelto per l'analisi. Le caratteristiche principali dei quartieri analizzati e del quartiere scelto sono sintetizzate nelle tabelle seguenti. 94

95 Tabella 12 - Caratteristiche dei quartieri analizzati e del quartiere scelto per la simulazione ( ). Caratteristica Larghezza media degli edifici (m) Distanza media tra edifici (m) Altezza media degli edifici (m) Deviazione standard dell'altezza degli edifici (m) Fattore di vista (svf) (-) Medio Deviazione standard Minimo Massimo Scelto Rapporto superficie/volume (S/V) (-) Tabella 13 - Composizione del terreno. Composizione Terreno Artificiale Vegetazione Acqua Rapporto (-) Le tecniche adottate La simulazione è stata condotta analizzando due tecniche per la mitigazione dell effetto UHI. La prima considera l incremento del valore di albedo delle superfici verticali ed orizzontali degli edifici; la seconda prevede un incremento del flusso di calore latente. Più precisamente, l incremento dell albedo delle superfici è realizzato utilizzando una vernice ad elevato potere riflettente. Il valore di emissività, essendo già piuttosto elevata (e=0,9), non è stata modificata. Sono stati analizzati tre scenari differenti: l utilizzo della vernice sui soli tetti degli edifici (caso B1), sulle mura esterne di ciascun edificio (caso B2) e su entrambe le superfici (caso B3 = B1+B2). L innalzamento del flusso di calore latente è realizzato per mezzo di una tecnica di umidificazione. Utilizzando un rivestimento foto-catalitico bagnato ad intervalli regolari con l ausilio di pompe, si ottiene, per le proprietà idrofile del rivestimento, un sottile film d acqua sull intera superficie: ne consegue una rapida evaporazione della stessa ed un valore più elevato del flusso di calore latente. L effetto è equiparabile in parte all applicazione dei tetti verdi: perdendo il vantaggio della ritenzione d acqua 95

96 piovana, dell isolamento termico e dell ombreggiatura, la tecnica presenta il vantaggio di poter essere applicata comodamente alle superfici verticali. Il rivestimento è applicato ai soli tetti, alle mura degli edifici e ad entrambi rispettivamente nei casi A1, A2 e A3 = A1+A2. La simulazione prevede che il rivestimento sia bagnato artificialmente nella sola stagione calda mentre durante l inverno le pompe siano disattivate. Il lavoro delle pompe per il pompaggio dell acqua necessaria, comunque, non è stato calcolato. Inoltre, lo studio ha voluto comprendere misure utili al miglioramento dell efficienza energetica. Sono stati dunque considerati la possibilità di espellere il flusso di calore dello scambiatore esterno del condizionatore d aria ad una quota più elevata (caso C1) e al di fuori dei confini del sistema tramite l utilizzo di pozzi di calore, caso C2. Ancora, sono stati considerati un maggior isolamento termico delle mura degli edifici (caso D1), l adozione di apparecchiature ed illuminazione ad alta efficienza (caso E1) e l adozione di sistemi per il condizionamento d aria ad elevata efficienza (caso E2). Infine, è stato considerato uno scenario di miglior efficienza delle autovetture in cui queste ultime disperdano sia un minor flusso di calore sensibile che un minor flusso di calore latente (caso F1). Le tecniche sono state successivamente valutate assieme, secondo due insiemi: AX = (A3+D1+E1+E2+F1) e BX = (B3+D1+E1+E2+F1). Il dettaglio dei dati relativi alle contromisure adottate è riportato nella tabella seguente. Tabella 14 - Dettaglio delle tecniche considerate. Caso Contromisura Parametro Unità di misura Caso 0 Installato Note (A) Umidificazione delle pareti (copertura fotocatalitica) Conduttanza per il calore latente (mm/s) 0 Sempre evaporata Periodo di installazione: 1 Maggio-31 Ottobre (il valore per il periodo di disattivazione è il medesimo del Caso 0) A1 Tetti Copertura installata (-) A2 Muri Copertura installata (-) % meno le finestre A3 Totale A1 + A2 (B) Incremento dell'albedo (vernice ad alto potere riflettente) Albedo (-) Emissività (-) 0.9 NC B1 Tetti Copertura installata (-) 0 1 B2 Muri Copertura installata (-)

97 B3 Totale B1 + B2 C1 Calore espulso ad alta quota Posizione dello scambiatore Ad ogni piano Sul tetto C2 Pozzi di calore Condizionamento d aria All esterno del sistema D1 Incremento dell'isolamento termico Resistenza termica dei tetti I pozzi di calore facilitano la dissipazione del calore non all'interno del terreno ma al di fuori del sistema includendo il sottosistema rappresentato dall'atmosfera soprastante il suolo (m 2 K/W) Polistirene estruso 75 (mm) Capacità termica dei tetti Resistenza termica dei muri Capacità termica dei muri Trasmittanza solare alle finestre (J/m 2 K) (m 2 K/W) Fluorocarbon-formed polystyrene 50 (mm) (J/m 2 K) (-) Passando da vetro standard + tende a vetro al alto assorbimento di calore 6mm + vetro standard 6mm + tende E1 E2 F1 Adozione di apparecchiature e sistemi di illuminazione ad alta efficienza Adozione di sistemi di condizionamento d'aria ad elevata efficienza Automobili ad elevata efficienza Calore interno dovuto alle apparecchiature Calore interno dovuto all'illuminazione Calore interno dovuto alle persone COP medio in raffrescamento COP medio in riscaldamento Calore dissipato dalle automobili (W/floorm 2 ) (W/floorm 2 ) (W/floorm 2 ) Il valore a sinistra è il massimo (durante il giorno); Il valore quando installate è -20% rispetto al Caso NC Calore sensibile + latente. Il valore a sinistra è il massimo (durante il giorno) (-) Valore quando installati: 100% (COP) (-) (W/roadm 2 ) Calore sensibile + latente. Il valore a sinistra è il massimo in condizioni di condizionamento dell'aria (durante la stagione estiva). Il valore quando adottate è - 40% rispetto al Caso 0 AX Insieme umidificazione A3 + D1 + E1 + E2 + F1 BX Insieme albedo B3 + D1 + E1 + E2 + F1 97

98 6.4 I risultati I giapponesi sono giunti a risultati interessanti, seppure poco dettagliati. Per quanto riguarda la mitigazione dell effetto UHI è stato preso a riferimento il numero di ore in cui la temperatura diurna supera i 30 C. Questa scelta è stata giustificata col fatto che durante il giorno l effetto UHI debba avere effetti più importanti a causa della occupazione degli uffici da parte del personale. I risultati sono illustrati nella figura seguente. Figura 59 - Numero di ore totali (h) in cui la temperatura diurna supera i 30 C. Lo scenario 0 rappresenta la condizione base, cioè senza alcuna tecnica applicata. Lo scenario 0 prevede un numero di ore con temperatura diurna superiore ai 30 C pari a 554h. Il dato, confrontato con i dati disponibili riguardo gli andamenti di temperatura a Tokyo, è stato ritenuto attendibile. L applicazione di contromisure all effetto UHI porta effettivamente dei benefici estivi. Le 554 ore totali sono ridotte di 69h, 60h, 38h, in caso 98

99 di applicazione della tecnica di umidificazione (A3), albedo (B3), pozzi di calore (C2). I pozzi di calore, quindi, dimostrano di impattare contro il fenomeno UHI, riducendo le temperature all interno dell UCL. Riguardo le tecniche di miglioramento dell efficienza energetica, si ricavano ancora dati interessanti. Il miglioramento (quindi l incremento) dell isolamento termico delle pareti e del tetto dell edificio porta ad un maggior numero di ore con temperatura superiore ai 30 C con un totale di 555h (caso D1). Il risultato è compatibile con le osservazioni dei capitoli precedenti (si veda il paragrafo 5.2) che prevedono una temperatura maggiore della superficie esterna in caso di applicazione di uno strato di isolamento più importante (R). L applicazione di apparecchiature ed illuminazione ad alta efficienza porta ad una diminuzione di 2h il numero di ore totali sopra i 30 C (caso E1) mentre l adozione di sistemi di condizionamento ad elevata efficienza porta ad una diminuzione pari a 4h (caso E2). Lo scenario di miglior efficienza delle autovetture, invece, determina una diminuzione di 14h (caso F1). Se ne deduce, dunque, che quest ultimo scenario è in grado di ridurre l apporto di calore di origine antropogenica al sistema, garantendo temperature inferiori. Le altre contromisure per l efficienza energetica, per contro, non svolgono un ruolo importante nella mitigazione del fenomeno UHI: l abbassamento delle temperature è ottenibile solo con tecniche dedicate. Infine, gli scenari AX e BX presentano una riduzione pari a 82h e 73h, rispettivamente. Questo consente di affermare che anche le misure per l efficienza energetica, affiancate alle tecniche dedicate alla mitigazione dell UHI alle quali in ogni caso spettano i contributi maggiori, possano dare un contributo significativo. Un ulteriore osservazione deve essere fatta rispetto l umidità specifica. La tecnica di umidificazione, pur dimostrandosi la più efficace nel combattere l UHI estiva, ha innalzato fortemente il valore di umidità dell aria. Lo scenario A3 prevede un aumento dell umidità specifica in Agosto pari a 0,518g/kg. Questa condizione, come giustamente sottolineato dai giapponesi, può risultare in condizioni sfavorevoli per il benessere umano. Un livello più alto di umidità diminuisce l efficacia della dissipazione di calore latente tramite sudorazione ed è, quindi, in grado di innalzare ciò che comunemente è chiamata temperatura percepita. Il risultato della simulazione è illustrato nella figura seguente. 99

100 Figura 60 - Valori di umidità specifica calcolati nella simulazione. Come detto nei paragrafi precedenti, il modello CM-BEM è stato aggiornato all interno di questo studio in modo da poter analizzare gli effetti sulle temperature e sui consumi energetici su base annua. L analisi del periodo invernale risulta particolarmente interessante. Il numero totale di ore in cui la temperatura a Tokyo scende al di sotto di 5 C è aumentato di 123h a causa dell incremento dell albedo (B3), di 40h dall adozione di condizionatori d aria ad elevata efficienza e di 30h a causa del miglioramento dell efficienza delle automobili. I risultati sono illustrati nella figura seguente. L installazione di pozzi di calore, invece, come il maggior isolamento termico degli edifici, portano ad una diminuzione del totale di ore in cui la temperatura scende al di sotto di 5 C di 114h e 86h, rispettivamente. 100

101 Figura 61 - Numero di ore totali (h) in cui la temperatura scende sotto i 5 C. Sembra, quindi, che l innalzamento dell albedo delle superfici verticali e delle superfici orizzontali degli edifici (i tetti) causi una diminuzione importante nelle temperature invernali. Questo risultato si accorda parzialmente con le osservazioni fatte al paragrafo 5.2 nel quale si afferma che l impatto dell incremento dell albedo sulle temperatura della stagione invernale dipende fortemente dalle caratteristiche del clima locale; per contro, si contrappone alle sperimentazioni in cui gli effetti sulla differenza di temperatura tra materiali convenzionali e materiali ad elevata riflessione solare vada scemando raggiungendo la stagione fredda. Dal punto di vista energetico, i risultati sono illustrati nella figura seguente. 101

102 Figura Consumi di energia, su base annua, ripartiti tra apparecchiature ed illuminazione, raffrescamento estivo, riscaldamento invernale. Lo scenario 0 prevede un fabbisogno energetico annuo del quartiere di riferimento pari a 589 MJ/m 2 *anno ripartiti in 450 MJ/m 2 *anno per apparecchiature ed illuminazione, 94 MJ/m 2 *anno per il raffrescamento estivo, 45 MJ/m 2 *anno per il riscaldamento invernale. Le tecniche simulate allo scopo di una migliore efficienza energetica, ovviamente, portano ad un vantaggio su base annua. In particolare, la maggiore efficienza di apparecchiature ed illuminazione, responsabili della quota più importante del fabbisogno, (caso E1) apporta i benefici maggiori, calcolati come 15,6% del fabbisogno energetico annuo. L adozione di un maggior isolamento termico porta ad una diminuzione dell 8,1% del fabbisogno annuo di energia mentre l utilizzo di sistemi di condizionamento ad alta efficienza è in grado di diminuirlo dell 11,6%. Le tecniche adottate contro l effetto UHI non sembrano portare vantaggi energetici su base annua. Se valutate su base stagionale, le contromisure portano ad una diminuzione 102

103 del fabbisogno energetico durante la stagione estiva, in particolare per la diminuzione del consumo di energia per il raffrescamento. Lo studio non illustra, comunque, il dettaglio del beneficio stagionale. Su base annua l applicazione della tecnica di umidificazione porta un vantaggio decisamente scarso calcolato come il 2,8% del fabbisogno; allo stesso modo l utilizzo di pozzi di calore il quale apporta un vantaggio pari al 1,1%. Comunque, per la diminuzione delle ondate di calore, conseguente al calo delle temperature, si può tranquillamente supporre un beneficio in termini di picco di potenza, con conseguente risparmio sulla linea di distribuzione. La stagione invernale, tuttavia, sembra uscire decisamente svantaggiata dall applicazione delle tecniche viste a causa della diminuzione degli apporti gratuiti di energia. In particolare, considerando come il modello consideri disattivata la tecnica di umidificazione durante la stagione fredda, l innalzamento dell albedo è il principale responsabile dell aumento dei consumi invernali. La perdita in termini di apporti gratuiti, necessariamente rimpiazzati dal riscaldamento artificiale, è tale da annullare il beneficio estivo. Inoltre, è utile considerare come lo scenario base del modello calcoli un consumo di energia per riscaldamento invernale pari a 45 MJ/m 2 *anno, cioè circa 12,5 kwh/m 2 *anno. Il clima di Tokyo è notoriamente mite ma presenta, secondo il modello, almeno 300h con temperature al di sotto di 5 C ogni anno. In Italia, tra le varie metodologie oggi esistenti per la certificazione energetica degli edifici emerge quella proposta dall Agenzia Casa Clima della Provincia Autonoma di Bolzano che per prima in Italia ha varato un sistema di certificazione energetica degli edifici: secondo le regole proposte dall agenzia, gli edifici del quartiere di Tokyo meriterebbero quasi la prima classe (la classe Gold, ottenibile con consumi inferiori ai 10kWh/m 2 *anno). Questi dati suggeriscono un eccellente prestazione energetica degli edifici durante la stagione invernale, considerabili quasi delle passive houses. E probabile, pertanto, che l influenza negativa delle mitigazioni sia stata moderata dalle caratteristiche degli edifici giapponesi. E lecito attendersi che in condizioni di performance energetiche peggiori quali quelle presenti in Italia lo svantaggio in termini energetici durante la stagione fredda potrebbe addirittura inasprirsi. Gli scenari AX e BX, all interno dei quali è considerata la simultanea applicazione delle contromisure all effetto UHI e delle tecniche per l efficienza energetica, presentano una riduzione in termini di fabbisogno energetico su base annua pari a 31,9% e 31,7%. 103

104 Contrariamente ai risultati di questi scenari nei confronti della mitigazione del fenomeno UHI, l applicazione simultanea delle tecniche non fornisce un vantaggio superiore all applicazione delle sole misure per l efficienza energetica. Ad ogni modo, per la possibile inconsistenza del modello in riferimento ai calcoli nel periodo invernale di cui sopra, in questo elaborato si assume una posizione di buona considerazione dei risultati inerenti il periodo estivo ma di scarsa considerazione di una possibile generalizzazione delle considerazioni finali. Considerando che il modello CM- BEM pre-esistente utilizzato è stato aggiornato allo scopo di includere la stagione invernale, il calcolo dovrebbe essere, quantomeno, testato su altre località. 104

105 7. Il vantaggio economico Il capitolo precedente si è interessato di comprendere se possano esservi benefici energetici su base annua, con le conclusioni di cui sopra. Ora, l analisi si sposta su termini più economici. Se si argomentassero in questi termini i risultati del capitolo precedente si terminerebbe velocemente e con un verdetto prevedibile. Quindi, in questo capitolo, esaminando uno studio del Columbia University Center for Climate Systems Reserarch and Nasa Goddard Institute for Space Sudies, sarà considerata un altra delle tecniche viste per la mitigazione dell effetto UHI, simulata all interno di New York: i cosiddetti tetti verdi, in particolare con tecnica estensiva. L analisi costi-benefici darà modo di investigare se questa tecnica possa essere considerata un investimento con un ragionevole punto di pareggio oppure debba essere vista come una spesa pubblica o privata con il solo scopo di migliorare il benessere e l aspetto delle nostre città, pur diminuendo lo stress energetico del periodo estivo. 7.1 La premessa Lo studio è stato condotto calcolando i costi ed i benefici sia per il settore pubblico che per il settore privato. Quindi, sono stati generati due scenari. Lo scenario privato prevede un singolo giardino di 167 m 2, installato sopra un edificio. Il secondo scenario, denominato 50% green roof infrastructure scenario, prevede la realizzazione di 144,832 giardini, ricoprendo circa il 4% della superficie totale della città di New York, per un totale di circa 32 km 2. I costi del settore privato, sostenuti dal proprietario dell edificio o dai suoi residenti, riguardano l installazione e la manutenzione del giardino. I benefici comprendono un risparmio di energia nel periodo estivo ed un risparmio dovuto alla maggior vita utile della membrana del tetto, necessariamente adattata per sopportare il giardino, e dunque più resistente. I costi del settore pubblico includono sussidi od altre forme di spesa tese ad agevolare e ad incoraggiare all installazione dei giardini. I benefici riguardano la riduzione del fenomeno UHI e la riduzione del deflusso delle acque piovane, grazie al maggior assorbimento d acqua piovana garantito dai tetti verdi. 105

106 Gli input fissi del modello, riguardanti i due scenari, sono riportati nella tabella seguente. Tabella 15 - Input fissi per l'analisi costi-benefici. Scenario privato Area del tetto scelto di New York (m 2 ) 223 Percentuale di area del tetto occupata dal giardino 75% Area del giardino (m 2 ) 167 Periodo di investimento (anni) 55 Tasso di attualizzazione 8.00% Tasso di inflazione 3.00% Scenario 50% Green roof infrastructure Area totale dei tetti di New York (km 2 ) 86 Percentuale dei tetti di New York occupati con giardini 50% Percentuale occupata di ciascun tetto 75% Area totale occupata dai giardini (km 2 ) 32,2 Numero approssimativo di giardini installati Dimensione media di ciascun giardino (m 2 ) 223 Percentuale della superficie orizzontale di NY occupata 4.2% Periodo di investimento (anni) 55 Tasso di attualizzazione 5.00% Tasso di inflazione 3.00% I costi ed i benefici sono successivamente suddivisi in due gruppi. Il primo riguarda costi e benefici relazionati ai dati della tabella riportata sopra. Il secondo gruppo comprende il primo ed aggiunge alcuni benefici potenziali come il miglioramento della qualità dell aria e della salute, la riduzione degli inquinanti, l incremento nel valore di vendita degli immobili provvisti di tetto verde e il beneficio estetico ottenibile dalle coperture. Tali benefici sono quantificati in termini monetari ed aggiunti al calcolo. Per le assunzioni necessarie e per l elevato grado di incertezza dei risultati del modello riguardo la valutazione del secondo gruppo in questo elaborato sarà trattato solamente il primo, composto di elementi più significativi. Infine, i due scenari, pubblico e privato, sono suddivisi in ulteriori tre scenari in modo da valutare il campo di variazione dei risultati secondo la bontà della stima dei parametri impostati. Più precisamente, sono calcolati uno scenario medio impostato con i valori ritenuti più probabili, uno scenario alto comprendente benefici maggiori e costi inferiori, ed uno basso, orientato in direzione opposta. 106

107 7.2 I costi ed i benefici ottenibili nel dettaglio Per quanto riguarda i costi ed i benefici del settore privato, gli importi sono stati così valutati. Il costo di installazione (comprensivo di nuova membrana impermeabile, strato drenante, terreno e vegetazione), il quale rappresenta il vero investimento del soggetto privato che intenda adottare questa tecnologia, è stato valutato a partire da un indagine di mercato. Il costo di installazione di un tetto convenzionale è di circa 97$/m 2 (W.P. Hickman Systems, Inc., 2003; verificato da Marshall and Swift Manual, 1998). Il costo di installazione di un tetto verde estensivo, secondo l indagine, varia da 107$ a 270$/m 2. Considerando quindi che mediamente il costo è circa doppio rispetto ad un tetto convenzionale, il valore è stato impostato a 194$/m 2. Lo scenario basso e alto sono stati impostati con un costo di 258$/m 2 e 129$/ m 2 rispettivamente. Le spese di ingegnerizzazione e per lo studio strutturale sono assunte come lo 0.2% del costo di installazione. La vita utile della membrana di un tetto convenzionale è di circa 20 anni. Secondo gli studi di Wong et al (2003) e Lee (2004), ci si può aspettare una vita utile del tetto verde all incirca doppia. La vita utile del giardino, prima di una necessaria sostituzione della membrana, è valutata quindi a circa 40 anni. Lo scenario basso valuta, invece, una durata identica al tetto convenzionale mentre lo scenario alto è impostato con una vita utile di 60 anni. I costi di manutenzione sono stimati a partire dalle indagini effettuate da Giesel (2003) e di Peck e Kuhn (2003) i quali sostengono che il costo vari da 0,646$/(m 2 *anno) a 13,455$/(m 2 *anno). In questa analisi viene impostato un valore medio pari a 6,458$/(m 2 *anno). Lo scenario basso e alto assumono valori pari a 11,840$/(m 2 *anno) e 1,076$/(m 2 *anno) rispettivamente. Il modello considera un risparmio nei costi dell energia per il raffrescamento estivo, conseguenti ad una temperatura interna inferiore. Il calcolo della quota di energia risparmiata prescinde dagli scopi del modello ed è, quindi, preimpostata. Lo scenario medio assume un risparmio del 15% dell energia per il raffrescamento estivo basandosi sulle osservazioni del Pennsylvania State University Center for Green Rooofs Research e sugli studi condotti da Liu e Baskaran (2003). Il risparmio è riferito all assunzione che 107

108 la spesa per il raffrescamento estivo sia di 1,722$/(m 2 *anno), riferendosi alla superficie del tetto. E utile sottolineare che i calcoli non prevedono alcun aumento di consumo durante la stagione invernale: l ipotesi risulta compatibile con quanto affermato nei capitoli precedenti. Per quanto riguarda i costi ed i benefici del settore pubblico, il quale considera l applicazione della tecnica al 4% delle coperture degli edifici di New York, le ipotesi sono le seguenti. Il vantaggio economico derivante dalla riduzione dell effetto UHI è valutato in modo assai criticabile ed approssimativo ed è molto probabile una sovrastima del beneficio finale. La diminuzione della temperatura atmosferica è ricavata a partire da una relazione lineare con la diminuzione di temperatura superficiale dei tetti ricavata dagli studi di Solecki et al - compresa tra 0,05 C e 0,8 C - e viene valutata pari a 0,44 C. L approssimatività dell ipotesi di una relazione lineare tra temperature superficiali è dichiarata dagli autori ma ritenuta funzionale allo scopo del modello. Gli scenari basso e alto consentono una riduzione di 0,05 C e 0,83 C rispettivamente. La riduzione delle temperature atmosferiche porta ad una riduzione globale del fabbisogno energetico per il raffreddamento estivo. Il calcolo si basa sull assunzione di una temperatura media estiva pari a circa 26 C e sull assunzione che i condizionatori d aria siano attivati quando la temperatura interna salga al di sopra di 18 C. Alla diminuzione percentuale dell entità del gap tra la temperatura di set-point di 18 C (estremamente bassa) e la temperatura media esterna ridotta a 26 C nello scenario medio e a 26,6 C e 25,83 C negli scenari basso ed alto viene fatto corrispondere un equivalente beneficio energetico. Questo è, quindi, valutato per i tre scenari, medio, basso e alto pari al 5%, 0,7% e 10% rispettivamente. Caratteristica dei giardini pensili è di poter assorbire una grande quantità d acqua piovana. Se da un lato questo comporta maggiori spese per rinforzare la struttura portante del tetto pre-esistente dall altro garantisce un minor deflusso di acqua verso le strade. Il modello quantifica questo elemento con un vantaggio economico in termini di minori investimenti e minori costi operativi per l impianto di gestione del deflusso delle acque piovane. I costi operativi sono ridotti del 10% (18 milioni di $ l anno) nello scenario medio mentre gli investimenti necessari sono ridotti dell 1,9% nello scenario medio, altrimenti dello 0,6% e del 3,4% per gli scenari basso ed alto. 108

109 Ancora, il modello ipotizza una riduzione dei costi di installazione dei tetti verdi grazie all adozione della tecnica su larga scala. In particolare, considerando che lo scenario 50% green roof infrastructure scenario comporta l applicazione del giardino estensivo ad un numero di tetti superiore a il costo di installazione il beneficio in termini di costo di installazione per l economia di scala scende a 161,46$/m 2 nello scenario medio, mentre scende a 107,64$/m 2 nello scenario alto e rimane fermo a 193,75$/m 2 nello scenario basso. Infine, è attribuito un costo a livello amministrativo comunale per la gestione dell investimento. La stima prevede un costo pari allo 0,1% - 0,3% della spesa totale per l installazione. Un valore pari a circa 30 milioni di $ per lo scenario medio. 7.3 I risultati Le tabelle seguenti riportano i risultati del modello. I flussi di cassa sono attualizzati considerando il periodo t ed il tasso di sconto r riportati nella tabella del paragrafo 7.1, secondo la formula. Tabella 16 - Analisi costi-benefici per l'installazione di un giardino pensile estensivo: scenario privato. Analisi per scenario Basso Medio Alto Benefici privati Vita utile Costo di installazione di un tetto convenzionale $28,369 28,369 28,369 Costo di manutenzione di un tetto convenzionale 3,822 3,822 3,822 Costi privati Raffrescamento 1,271 2,848 7,459 Totale dei benefici privati 33,462 35,039 39,650 Installazione di un tetto verde (57,705) (54,821) (26,629) Ingegnerizzazione e studio strutturale (115) (110) (53) Manutenzione di un tetto verde (39,223) (21,394) (3,566) Totale dei costi privati (97,043) (76,325) (30,247) Benefici netti (63,581) (41,286) 9,403 Rapporto benefici/costi (57,518) (43,138) 109

110 La tabella illustra l analisi costi-benefici di un soggetto privato che desideri installare un tetto verde di tipo estensivo sul proprio edificio. Come si vede i costi sono scontati degli importi che sarebbero comunque necessari all installazione ed alla manutenzione dopo la messa in opera di un tetto convenzionale; questi sono calcolati pari a 28369$ per l installazione e a 3822$ per la manutenzione. Nonostante questo, nello scenario medio, il solo beneficio ottenibile in termini di risparmio energetico non è in grado di garantire un punto di pareggio dell investimento sostenuto. La tabella seguente illustra l analisi costi-benefici sia dei soggetti privati che della pubblica amministrazione, considerando un applicazione su larga scala dei tetti verdi. Tabella 17 - Analisi costi-benefici per l'installazione di 32km 2 di giardini pensili estensivi nella città di New York. 50% Green Roof Infrastructure Basso Medio Alto Medio Benefici privati Annualizzato Vita utile (lowers relative costs below) Costo di installazione di un tetto convenzionale $4,108,700,000 4,108,700,000 4,108,700, ,535,896 Costo di manutenzione di un tetto 553,600, ,600, ,600,000 44,940,120 convenzionale Raffrescamento 184,100, ,500,000 1,080,300,000 33,485,910 Totale dei benefici privati 4,846,400,000 5,074,800,000 5,742,600, ,961,926 Benefici pubblici Investimenti per il deflusso delle acque 21,800,000 54,400,000 87,100,000 4,416,081 Costi operativi per il deflusso delle acque 2,200,000 5,400,000 8,700, ,361 Riduzione effetto UHI 21,600, ,600, ,800,000 17,258,435 Totale dei benefici pubblici 47,500, ,200, ,800,000 22,746,065 Benefici privati e pubblici totali 4,893,900,000 5,355,000,000 6,492,400, ,707,991 Costi privati Installazione di un tetto verde (6,268,100,000) (6,616,500,000) (3,856,700,000) (537,113,991) Ingegnerizzazione e studio strutturale (12,500,000) (13,200,000) (7,700,000) (1,071,549) Manutenzione di un tetto verde (2,840,400,000) (1,549,300,000) (258,200,000) (125,769,018) Totale dei costi privati (9,121,000,000) (8,179,000,000) (4,122,600,000) (663,954,558) Costi pubblici Amministrazione del programma (17,400,000) (9,600,000) (3,900,000) (779,308) Manutenzione del programma (34,100,000) (20,000,000) (10,400,000) (1,623,559) Totale dei costi pubblici (51,500,000) (29,600,000) (14,300,000) (2,402,868) Totale dei costi privati e pubblici (9,172,500,000) (8,208,600,000) (4,136,900,000) (666,357,426) Benefici netti (4,278,600,000) (4,278,600,000) (2,853,600,000) 2,355,500,000 Rapporto benefici/costi I risultati sono ancora molto interessanti. L analisi è condotta attualizzando i flussi di cassa su un periodo di 55 anni; la vita utile del giardino, prima di una necessaria sostituzione della membrana, è pari a 40 anni nello scenario medio e 60 anni nello 110

111 scenario alto. Inoltre, come visto nei paragrafi precedenti, il vantaggio economico derivante dall abbattimento del fenomeno UHI può essere visto come una sovrastima anche nello scenario medio. Si deduce, quindi, che anche considerando tutti i benefici ottenibili sia dal lato privato che per la pubblica amministrazione l applicazione di un giardino di tipo estensivo come contromisura all effetto UHI non rappresenta un investimento con ritorno economico. Lo scenario medio non prevede, infatti, il raggiungimento di un punto di pareggio. Questa conclusione si applica quindi sia all installazione di un solo giardino sia ad una applicazione su larga scala, pur considerando i benefici che ne derivano in termini di riduzione dei costi. Solamente lo scenario privato, nella misura della costruzione di un singolo tetto verde, si è dimostrato in grado di raggiungere un punto di pareggio. Per contro, ciò è accaduto all interno dello scenario alto. A dire degli stessi autori dello studio, l eventualità che si verifichino insieme tutte le condizioni favorevoli calcolate nello scenario alto è altamente improbabile ed è dunque preferibile riferirsi allo scenario medio ed eventualmente al basso. Inoltre, merita attenzione il fatto che lo studio qui presentato abbia voluto considerare giardini di tipo estensivo; la tipologia estensiva comporta una gestione più economica. Come illustrato nei capitoli precedenti, la tipologia intensiva, invece, è esteticamente preferibile ma presenta costi di manutenzione ed installazione decisamente maggiori. I risultati hanno mostrato una elevata sensibilità alla variazione del costo di installazione. Un importante diminuzione dei costi di messa in opera, dunque, sarebbe probabilmente una soluzione efficace nel trasformare la tecnica del tetto verde in un investimento vero e proprio. A titolo di indagine è stato ricostruito il flusso di cassa attualizzato in riferimento ai parametri medi dello scenario privato. La differente vita utile della membrana impermeabile è stata tralasciata per semplicità. L analisi ha condotto ad alcune ulteriori considerazioni. La sensibile riduzione dei costi di installazione e manutenzione dei green roofs è un obiettivo necessario. Una riduzione del 40% dei costi rappresenta un buon primo target, il quale porta il rapporto benefici/costi da un valore di 0,46 ad un valore di 0,76: la riduzione dei costi non è quindi sufficiente a rendere conveniente l installazione dei green roofs. Una dilazione di pagamento del costo di installazione su 111

112 un periodo di 10 anni a tasso 0, sommata alla diminuzione dei costi, porta alla convenienza economica: il rapporto benefici/costi raggiunge un valore pari a 1,04. Infine, è stata analizzata la sensibilità della convenienza dell investimento al tasso di attualizzazione. Il modello originale considera un tasso pari all 8%, decisamente elevato. Quindi, seppure i green roofs appaiono convenienti nel momento in cui si ottengano costi inferiori di almeno il 40% oltre alla possibilità di dilazionare il pagamento dell'installazione su un periodo di 10 anni, l'utilizzo di tassi di attualizzazione più "plausibili", quali un 6% o un 4% torna a mostrarne sconveniente l applicazione. La considerazione è valida, ancora una volta, solo da un punto di vista prettamente economico. Il rapporto benefici/costi, con i nuovi tassi di attualizzazione pari a 6% e 4%, si riduce a 0,97 e 0,89 rispettivamente. Queste analisi sono state condotte assumendo una riduzione di almeno 730 kwh/(anno*edificio) in termini di raffrescamento estivo e di almeno 950 kwh/(anno*edificio) in termini di riscaldamento invernale. In definitiva, la tecnica del tetto verde è in grado di portare giovamento al benessere tramite una diminuzione del fenomeno UHI solo se applicata su larga scala. Per quanto visto in questo elaborato, inoltre, è in grado di ridurre il fabbisogno energetico durante la stagione estiva riducendo il flusso di calore che dal tetto giunga ai locali interni. La riduzione del carico energetico è senza dubbio un aspetto positivo nel combattere i problemi energetici odierni e la riduzione dei picchi di potenza conseguenti al calo delle temperature massime della stagione calda giova agli impianti di distribuzione dell energia, i quali richiedono minori investimenti (tra l altro non considerati all interno del modello). Infine, è possibile concludere che, attualmente, un investimento rivolto all installazione dei tetti verdi non può portare ad un beneficio economico. 112

113 8. Conclusioni Il fenomeno dell isola di calore è stato ripreso a partire dalla definizione e dalle caratteristiche principali. L analisi di questo elaborato è condotta su base annua e questo ne determina la caratteristica innovativa rispetto alla letteratura. Sono state analizzate le cause del fenomeno con particolare riferimento all effetto della geometria urbana sul profilo logaritmico del vento. In particolare, si è mostrato come questo si modifichi sopra ed all interno del centro urbano concludendo che la modificazione della velocità del vento è sicuramente un elemento importante nello sviluppo del fenomeno UHI. Sono state esaminate le caratteristiche ottiche e termiche tipiche dell area urbana e si può concludere, in accordo con la letteratura disponibile riguardo al fenomeno UHI, che queste siano spesso le maggiori responsabili del fenomeno. Ancora, è stato analizzato il ruolo del calore di origine antropogenica: all interno dei centri urbani ad elevata densità di edifici, la quota di calore antropogenica assume un ruolo di maggior rilievo, talvolta dominante, come causa dell effetto UHI. Inoltre, il calore antropogenico assume sicuramente maggiore importanza durante la stagione fredda: ciò consentirebbe di mitigare gli effetti del fenomeno durante la stagione calda limitando gli effetti attenuanti nel corso della stagione invernale. L impatto del fenomeno è stato valutato in modo completo. Le maggiori temperature del centro urbano rispetto alle zone rurali limitrofe causano un deterioramento del benessere ed un maggior consumo di energia durante la stagione estiva. Per contro, l effetto UHI è mitigante nei confronti del clima invernale: si può concludere, dal punto di vista energetico, che il fenomeno determina un risparmio energetico invernale limitando il consumo per il riscaldamento degli edifici. Le tecniche di ventilazione naturale sono state brevemente analizzate allo scopo di mostrare come possano anch esse soffrire dell effetto UHI, innalzando ulteriormente il fabbisogno energetico per il condizionamento dell aria. All interno di questo elaborato è ipotizzata una correlazione tra le caratteristiche temporali dell UHI ed il peso dei fattori-causa del fenomeno. In particolare, analizzando 113

114 nel dettaglio i casi di Atene e di Modena, si propone l idea che l isola di calore con ΔT atmosferici più elevati nelle ore notturne veda come fattori-causa dominanti le caratteristiche ottiche e termiche degli edifici, ragione di un elevato accumulo di calore nella struttura urbana; invece, l isola di calore con ΔT atmosferici più elevati nelle ore diurne vedrebbe un ruolo più importante del flusso di calore antropogenico e dello scarso ricambio d aria determinato dalla geometria urbana. Le ipotesi avanzate su questo argomento assumono caratteri innovativi nei confronti della letteratura in cui l UHI rappresenta un fenomeno prettamente notturno, lasciando inspiegati casi in cui il fenomeno si mostri più evidente di giorno. Le tecniche di mitigazione dell UHI sono brevemente descritte e successivamente analizzate. La letteratura consente di approfondire tecniche riguardanti l installazione di aree verdi ed i conseguenti benefici in termini evaporativi e di ombreggiatura; inoltre, descrive tecniche riguardanti materiali ad elevato albedo ed elevata emissività i quali garantiscono un minore accumulo di calore nella struttura urbana. D altra parte, i ragionamenti portati avanti in questo elaborato sottolineano la necessità di una futura ricerca su tecniche tese alla mitigazione del calore antropogenico le quali, sicuramente, garantiranno anche un risparmio energetico diretto ed alla realizzazione di geometrie urbane che facilitino il ricambio d aria. Le tecniche di mitigazione sono sicuramente in grado di ridurre le torride temperature estive e di limitare le cosiddette ondate di calore. La conseguenza diretta è un miglioramento del benessere della popolazione cittadina. Le temperature inferiori garantiscono, d altra parte, un ritorno in termini di risparmio energetico. L analisi descritta, con particolare riferimento all innalzamento dell albedo degli edifici nella città di Tokyo, oltre all innalzamento del flusso di calore latente, porta a concludere che effettivamente vi sia un risparmio energetico durante la stagione calda. Su base annua, per contro, il vantaggio tende a livellarsi fino a scomparire. Future ricerche dovranno assumersi l onere di investigare ulteriormente le tecniche di mitigazione dell UHI al fine di garantire un risparmio energetico su base annua. Inoltre, dovrà essere prestata attenzione all applicazione di tecniche che prevedano l innalzamento della quota di calore latente all interno della copertura urbana: queste possono elevare localmente l umidità relativa dell aria, riducendo l efficacia dei meccanismi di sudorazione umani ed intaccandone negativamente il benessere. 114

115 Infine, questo elaborato propone una analisi economica costi/benefici in riferimento alla cosiddetta tecnica dei tetti verdi, con particolare riferimento all installazione di giardini pensili di tipologia estensiva. Lo scopo è comprendere se possa esservi un ritorno economico dall applicazione di questa tecnica, determinando la posizione temporale del punto di pareggio. L analisi termina con un risultato indiscutibile: attualmente non risulta possibile raggiungere un punto di pareggio. La vita utile del provvedimento installato termina prima che i benefici possano superare i costi sostenuti. La tecnica deve essere dunque considerata una spesa pubblica, o privata, tesa a migliorare il benessere con l indiretto effetto di limitare le problematiche energetiche tipiche del periodo estivo. Un ultima riflessione, determinata dalle esperienze maturate nel corso della realizzazione di questo elaborato, riguarda la definizione stessa del fenomeno UHI, la cui importanza è fondamentale e potrebbe apparire scontata. Chiunque volesse trattare, o analizzare, il fenomeno dell isola di calore urbana dovrà tenere a mente che il fenomeno riguarda il surriscaldamento della zona urbana nei confronti della zona rurale limitrofa, spesso causa dell inasprimento delle pericolose ondate di calore; non, quindi, il clima il quale, ancorché torrido, dovesse riguardare allo stesso modo la zona urbana e la campagna circostante. 115

116 116

117 Appendice A Tabella 1 Zone climatiche urbane (UCZ) secondo Oke (WMO, 2006). Nelle immagini le linee continue rappresentano superfici impermeabili, le linee tratteggiate superfici permeabili. UCZ descrizione immagine classe di rugosità rapporto di verticalità dei canyon % impermeabile urbani λ S 1 zona intensamente urbanizzata con edifici separati, ravvicinati, ad elevato sviluppo verticale, con rivestimento (p.es. centro città con grattacieli) 8 >2 >90 2 zona intensamente e molto densamente urbanizzata, con edifici a 2-5 piani, contigui o molto ravvicinati, spesso di mattoni o pietra (p.es. centro storico) >85 3 zona molto urbanizzata, a media densità, con edifici in fila o separati, ma comunque ravvicinati (p.es. area residenziale) zona molto urbanizzata, a densità media o bassa, con edifici estesi e bassi e

118 parcheggi asfaltati (p.es. area commerciale) 5 zona suburbana mediamente sviluppata, a bassa densità, con case a uno o due piani (p.es. aree residenziali suburbane) (>1 se con alberi) zone destinate ad uso misto, con grandi edifici circondati da vaste aree non edificate (p.es. ospedali, aeroporti) , dipende dagli alberi <40 7 zone semi-rurali, con case sparse in un area naturale o agricola (p.es. fattorie) 4 >0.05, dipende dagli alberi <10 118

119 Tabella 2 Estratto della classificazione di Davenport (Davenport et al. 2000, WMO 2006) della rugosità del terreno. classe di terreno lunghezza di descrizione per l analisi è rugosità z 0 (m) necessaria l altezza di spostamento z d? 4- scabro, aperto 0.10 campagna moderatamente aperta con ostacoli occasionali (p.es. edifici bassi isolati o alberi), separati tra loro di una distanza pari ad almeno 20 volte la loro altezza non è necessaria 5- scabro 0.25 ostacoli sparsi (edifici), separati di una distanza compresa fra 8 e 12 volte la loro altezza potrebbe essere necessaria 6- molto scabro 0.5 area senza alberi alti, coperta moderatamente da edifici bassi, separati di una distanza compresa fra 3 e 7 volte la loro altezza è necessaria 7- skimming 1.0 area densamente edificata, senza variazioni di rilievo nell altezza degli edifici è necessaria 8- caotico 2.0 centro città con mescolanza di edifici bassi ed edifici ad elevato sviluppo verticale è raccomandata un analisi con modelli fisici nella galleria del 119

120 120

121 Tabella 3 Parametri che descrivono le proprietà di copertura e di struttura tridimensionale delle superfici urbane (Baklanov et al. 2004). I valori tipici delle proprietà di struttura tridimensionale sono calcolati escludendo la vegetazione. parametro immagine descrizione valori tipici λ indice d area piana P degli edifici λ indice d area piana V della vegetazione λ indice d area piana I delle superfici impermeabili z altezza media degli H edifici rapporto tra l area piana coperta da edifici e l area piana totale rapporto tra l area piana coperta da vegetazione (e talora da terreno nudo) e l area piana totale rapporto tra l area piana coperta da superfici impermeabili (esclusi gli edifici, p.es. strade e parcheggi) e l area piana totale media pesata dell altezza di tutti gli edifici, calcolata utilizzando come pesi l area degli edifici stessi urbano: 35-65% suburbano: 15-40% urbano: 0-35% suburbano: 35-70% urbano: 20-50% suburbano: 10-40% urbano: 4-8m suburbano: 8-20m edifici alti: >20m λ F rapporto di esposizione frontale (o indice d area frontale) rapporto fra l area frontale totale degli edifici e l area totale della superficie piana (includendo la vegetazione può quadruplicarsi) urbano: suburbano: edifici alti: >0.4 λ rapporto di C esposizione completa (o indice d area totale) V volume degli edifici P normalizzato rapporto tra l area della superficie totale tridimensionale e l area totale della superficie piana rapporto tra il volume degli edifici e l area totale della superficie piana urbano: suburbano: edifici alti: >2 urbano: 1-3 m 3 /m 2 suburbano: 3-15 m 3 /m 2 edifici alti: >15 m 3 /m 2 121

122 D x distanza caratteristica tra elementi distanza tra i centroidi degli edifici D x = L x + W x W x larghezza caratteristica dei canyon urbani ampiezza media dello spazio libero tra gli edifici rapporto tra altezza e larghezza dei canyon λ S = z H / W x λs rapporto di verticalità dei canyon urbani rapporto tra altezza e larghezza dei canyon λ S = z H / W x urbano: suburbano: edifici alti: >2 122