LA VENTILAZIONE NATURALE E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVO

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI FACOLTÁ DI ARCHITETTURA Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale LA VENTILAZIONE NATURALE E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVO Docente: Ing. GIUSEPPE DESOGUS

2 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Lo studio della ventilazione sul sito di costruzione è fondamentale per ottenere informazioni su: Possibilità di proteggere il sito dai venti dominanti invernali Possibilità di sfruttare la ventilazione naturale (soprattutto in estate) Possibilità di sfruttare il vento come fonte energetica rinnovabile (micro e mini eolico) Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 2

3 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Lo studio dei venti prevalenti su un sito riveste un importanza fondamentale in quanto la ventilazione rappresenta anzitutto un elemento da cui difendersi durante la stagione invernale, ma, soprattutto, nelle nostre condizioni ambientali un importante ausilio per il raffrescamento passivo degli edifici nella stagione estiva. Inoltre, con le attuali tecniche di utilizzazione dell energia eolica su piccola scala (micro e mini eolico) è possibile conoscere la disponibilità di una quota importante di energia alternativa sul nostro sito di intervento. La rappresentazione dei dati relativi alla ventilazione può essere effettuata in vari modi. Solitamente le informazioni che è necessario raccogliere sono relative alla direzione di provenienza, all intensità e alla frequenza del vento. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 3

4 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Per conoscere le caratteristiche della ventilazione su un sito è necessario reperire tre informazioni principali almeno per il periodo estivo e per quello invernale: Direzione di provenienza del vento Frequenza di provenienza da una data direzione Velocità media (in km/h, m/s o nodi) I modi di rappresentazione possono essere vari. Nei diagrammi seguenti sono riportate le direzioni e le frequenze: Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 4

5 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Questo tipo di rappresentazione riporta solo le velocità e la direzione: Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 5

6 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE La rappresentazione a sinistra è la più completa in quanto fornisce tutti e tre i dati richiesti. La rappresentazione a destra da invece un quadro complessivo di tutti i mesi. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 6

7 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE È fondamentale riportare l analisi della ventilazione alla scala del sito di intervento. Un esempio di rappresentazione può essere la seguente. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 7

8 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Ai fini dello studio della ventilazione è fondamentale la sua contestualizzazione nel sito di progetto. La simbologia grafica più utilizzata prevede l indicazione dei venti tramite frecce orientate esattamente nella direzione di provenienza, con lunghezza e larghezza proporzionali rispettivamente all intensità ed alla frequenza dei venti. In genere vengono indicati i venti prevalenti in condizioni invernali, per i quali può essere opportuno adottare apposite schermature, e quelli in condizioni estive, che rivestono un ruolo fondamentale nelle strategie per il raffrescamento tramite ventilazione. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 8

9 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Lo studio dell influenza sulla ventilazione di elementi circostanti il sito (edifici, vegetazione, orografia) è molto difficile e può essere condotto in maniera quantitativa solo attraverso strumenti di computazione fluido-dinamica (CFD), complessi e delicati da utilizzare. È possibile però dare delle indicazioni di massima che possono servire anche a progettare elementi di schermatura alla ventilazione. Un esempio classico è il posizionamento di un filare di alberi per la protezione dai venti freddi invernali. Gli effetti dell ostacolo rappresentato da un filare di alberi possono essere distinti in funzione della distanza dall ostacolo stesso. È possibile individuare 4 zone: Zona A: sul lato sopravvento la velocità inizia a decrescere da una distanza pari a sei volte l altezza del filare Zona B: immediatamente a ridosso della barriera la velocità del vento decresce bruscamente Zona C: nella zona sottovento compresa fra 6 e 20 H si ha una rapida crescita della velocità Zona D: il vento torna gradualmente alla velocità iniziale Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 9

10 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Rappresentazione grafica delle 4 zone precedentemente descritte. A C D B Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 10

11 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Nel contesto urbano l analisi degli ostacoli alla ventilazione può essere molto complessa, a causa della varietà delle forme e delle dimensioni degli edifici circostanti il sito di intervento. Esistono dei modelli di riferimento per il calcolo grafico della scia di un edificio. Nel caso molto frequente in cui gli edifici analizzati non rientrino nei modelli proposti in letteratura è possibile interpolare, ma bisogna sempre tenere ben presente che si tratta di valutazioni qualitative e non quantitative. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 11

12 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 12

13 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 13

14 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 14

15 L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE I modelli sopra riportati si riferiscono a casi molto particolari e l applicazione ad un contesto urbano qualsiasi può essere molto più complessa di quanto questi tendano a suggerire. La diffusione, anche in ambito applicativo, di strumenti di computazione fluidodinamica (CFD) consente di ottenere risultati molto più affidabili e alla portata anche di progettisti architettonici e pianificatori urbani. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale L ANALISI DEL SITO: LA VENTILAZIONE 15

16 VENTILAZIONE NATURALE La ventilazione naturale degli edifici può essere classificata anzitutto in base alla sua funzione: La ventilazione serve anzitutto per migliorare la qualità dell aria interna, garantendo apporti di aria esterna in sostituzione dell aria interna viziata. Se le condizioni lo permettono la ventilazione può essere utilizzata anche per il raffrescamento, ovvero per la riduzione di temperatura all interno di un edificio, con miglioramento delle condizioni di benessere interno. Questa seconda possibilità presenta tuttavia dei limiti di utilizzo che dipendono dalle condizioni esterne che verranno approfondite nella lezione sul raffrescamento passivo. È importante chiarire anzitutto i motori principali della ventilazione che generano l energia necessaria a far fluire l aria all interno degli edifici vincendo tutte le perdite di carico che nascono. Questi sono sostanzialmente il vento e l effetto camino, indipendentemente dal tipo di ventilazione naturale. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 16

17 VENTILAZIONE NATURALE Ventilazione indotta dal vento Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 17

18 VENTILAZIONE NATURALE Ventilazione indotta dal vento Il vento genera sempre sul lato esposto di un edificio una sovrappressione cui si accompagna una depressione sul lato opposto. Questa differenza di pressione attiva il passaggio dell aria da un lato all altro dell edificio. Questo tipo di ventilazione è spesso detta passante o incrociata e solitamente il flusso è orizzontale. Si innesca anche in assenza di passaggi contrapposti sui lati sopravvento e sottovento, ma in questo caso (figura a destra) l effetto è più limitato. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 18

19 VENTILAZIONE NATURALE Ventilazione per effetto camino Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 19

20 VENTILAZIONE NATURALE Ventilazione per effetto camino Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 20

21 VENTILAZIONE NATURALE Ventilazione per effetto camino Il secondo motore per la ventilazione naturale è il cosiddetto effetto camino. Si verifica quando si crea una stratificazione in altezza dell aria a diverse temperature. L aria più calda, come è noto, è meno densa e tende a stratificare verso l alto, mentre quella più densa rimane in basso. Si crea in questo modo un gradiente di pressione decrescente dal basso verso l alto che può essere sfruttato per innescare il moto ventilativo che sarà necessariamente ascendente. La ventilazione per effetto camino dipende dalla differenza di temperatura tra il punto più basso e quello più alto della stratificazione d aria. Maggiore è la differenza, maggiore sarà la portata. Anche la differenza di quota è importante, più alta è la stratificazione, maggiore sarà la portata. Nell esempio a destra della figura soprastante si vede un cosiddetto camino solare. Si tratta di un dispositivo utilizzato per innescare la ventilazione, grazie al surriscaldamento generato dalla radiazione solare che attraversa un vetro e scada una superficie assorbente. La differenza di portata sarà maggiore nel caso più a destra, in quanto la differenza di quota fra l aria scaldata dal sole e l uscita è maggiore. Non è sempre necessario dividere schematicamente i due tipi di ventilazione, molto spesso è anzi utile utilizzare sistemi misti, come quelli rappresentati nelle figure seguenti. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 21

22 VENTILAZIONE NATURALE Ventilazione combinata orizzontale/verticale Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 22

23 VENTILAZIONE NATURALE Ventilazione combinata orizzontale/verticale Nella figura soprastante è anche interessante notare come sempre più spesso non si ricorra alle finestre per garantire la ventilazione, ma ad apposite bocchette. Questo perché l apertura delle finestre, sebbene sempre necessaria, comporta altri problemi. Ad esempio aprendo una finestra si lascia penetrare all interno di un ambiente confinato sia la luce che il rumore e questo non sempre è voluto. L utilizzo delle bocchette invece permette di non far entrare la luce e, tramite appositi sistemi di abbattimento acustico, neanche il rumore. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 23

24 VENTILAZIONE NATURALE Non sempre far entrare l aria di ventilazione attraverso le finestre è la soluzione migliore. Nella figura sotto è rappresentata una bocchetta di immissione con abbattitore acustico. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 24

25 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Se le condizioni lo permettono la ventilazione può essere utilizzata anche per il raffrescamento, ovvero per la riduzione di temperatura all interno di un edificio, con miglioramento delle condizioni di benessere interno. Questa seconda possibilità presenta tuttavia dei limiti di utilizzo che dipendono dalle condizioni esterne. La figura seguente esplicita meglio quando è possibile far ricorso alla ventilazione naturale in condizioni climatiche simili alle nostre. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale VENTILAZIONE NATURALE. 25

26 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Limiti di applicabilità del raffrescamento tramite ventilazione Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 26

27 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Limiti di applicabilità del raffrescamento tramite ventilazione CASO A: Tipica situazione invernale. Internamente ad un ambiente si riscontrerebbe una temperatura interna in assenza di impianti (Twh) pari a 13 C. L attivazione degli impianti porta la temperatura interna a 19 C. L immissione di aria esterna a 5 C comporta un ulteriore carico per questi ultimi, per cui è necessario limitarla al minimo di legge per il rinnovo. CASO B: Stagione intermedia. Gli apporti solari gratuiti sono sufficienti a dare una temperatura interna di 20 C. Anche in questo caso l immissione di aria esterna deve essere ridotto al minimo di legge. CASO C: Stagione intermedia. Gli apporti solari sono tali da portare temperature interne di 27 C a fronte di una temperatura esterna molto più mite. In questo caso è necessario introdurre aria dall esterno per raffrescare passivamente l edificio senza ricorrere agli impianti. Questo è l unico caso in cui possiamo parlare di ventilazione per raffrescamento. Questa situazione può verificarsi anche nel periodo estivo durante la notte. CASO D: Stagione estiva. La temperatura esterna è oltre i limiti di comfort. Non è possibile ricorrere alla ventilazione naturale perché rappresenterebbe un aggravio delle condizioni interne. L immissione di aria va limitata al minimo indispensabile per il rinnovo perché è un carico per gli impianti di raffrescamento. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 27

28 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Classificazione del raffrescamento per ventilazione Il raffrescamento ventilativo può anzitutto essere: Corporeo se è prodotto dallo scambio convettivo tra aria e pelle, per effetto sia della differenza di temperatura che della velocità dell aria Ambientale se riduce la temperatura di un ambiente confinato per immissione di aria più fresca dall esterno Strutturale se riduce la temperatura superficiale degli elementi costruttivi di un organismo edilizio che vengono lambiti da una corrente di aria più fresca (es: raffrescamento notturno della massa) L aria può essere immessa all interno di un edificio per il raffrescamento direttamente alla temperatura in cui si trova all esterno oppure può essere raffreddata preliminarmente tramite gli impianti o tramite tecniche passive. In questo ultimo caso possiamo distinguere diversi tipi di raffrescamento, come in figura seguente. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 28

29 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Classificazione del raffrescamento per ventilazione Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 29

30 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Raffrescamento passivo geotermico Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 30

31 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Raffrescamento passivo geotermico Il primo sistema, detto anche a pozzo canadese o pozzo provenzale, pemette di raffreddare l aria per contatto con il terreno, che già a due metri di profondità ha una temperatura media nei mesi estivi inferiore di circa 4 C a quella della superficie del terreno stesso, che a sua volta può essere, a seconda della finitura dello stesso, di circa 5-6 C inferiore di quella dell aria durante il giorno. L aria deve essere convogliata nel tubo interrato tramite bocchette di presa che in genere sono orientate in direzione dei venti prevalenti estivi. È importate dotare le bocche di immissione di reti per impedire l ingresso di animali nei condotti. I tubi interrati possono essere di diversi materiali: i più utilizzati sono il PVC e il cls. Il primo presenta l indubbio vantaggio di avere una durabilità molto maggiore del secondo, ma il PVC riduce lo scambio termico tra il terreno e l aria, riducendo quindi le prestazioni dello scambiatore. Il cls per contro deve essere trattato nella superficie interna del tubo per evitare la formazione di efflorescenze dovute all umidità che peggiorano la qualità dell aria. L accumulo di condensa dentro i tubi deve essere evitato conferendo ai medesimi una pendenza pari almeno all 1% e provvedendo alla raccolta dell acqua con un apposito pozzetto ispezionabile che serve anche per le operazioni di manutenzione e pulizia. I materiali metallici, pur migliorando lo scambio termico sono fortemente a rischio corrosione per via delle correnti galvaniche presenti nel terreno. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 31

32 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Raffrescamento passivo evaporativo Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 32

33 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Raffrescamento passivo evaporativo Il secondo sistema è quello del raffrescamento tramite evaporazione dell acqua. Il principio è molto semplice: dal momento che l acqua per evaporare deve sottrarre calore dall ambiente circostante, facendo lambire uno specchio d acqua, un tessuto bagnato o una nuvola di acqua nebulizzata da una corrente d aria, l evaporazione dell acqua provocherà una diminuzione di temperatura dell aria. Il meccanismo è efficace se l umidità relativa dell aria non è elevata. Se invece questa è prossima al punto di saturazione, la quantità d acqua che potrà evaporare è molto ridotta e conseguentemente sarà basso il raffreddamento. Questo è il motivo per cui questi sistemi sono nati nei climi caldo-secchi. Nella figura precedente, un progetto di Mario Cucinella per un edificio per uffici pensato nella città di Catania, in cui il raffrescamento evaporativo veniva attivato tramite nebulizzazione dell acqua nella sommità di 9 torri di ventilazione. L aria raffrescata, con una densità minore dell aria esterna, sarebbe scesa naturalmente verso i piani più bassi interessando tutti gli ambienti di lavoro. L immissione dell aria dall alto avrebbe permesso di sfruttare al meglio la spinta dei venti prevalenti e di catturare aria meno inquinata di quella immessa dal livello del terreno. Questa tecnica è conosciuta anche con l acronimo inglese PDEC (Passive Downdraught Evaporative Cooling). Il progetto non è mai stato realizzato. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 33

34 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Vista complessiva del progetto di T. Herzog presentato al concorso per la realizzazione di due interventi di edilizia residenziale pubblica nei Piani di Zona Ponte Galeria e Lunghezzina a Roma. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 34

35 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI Strategie energetiche estive. Il raffrescamento si incentra soprattutto sulla ventilazione degli spazi comuni che non rivestono una funzione solo connettiva, ma devono distribuire l aria in tutti gli alloggi. Per questo motivo hanno un estensione maggiore che in modelli tradizionali di edifici a torre. La copertura è schermata, così come l atrio a tutt altezza. L immissione dell aria avviene anche attraverso scambiatori di calore interrati e condotti che percorrono l edificio in tutta la sua altezza. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 35

36 IL RISCALDAMENTO E IL RAFFRESCAMENTO PASSIVI La ventilazione, almeno nella proposta progettuale, consta di diverse strategie: il raffrescamento dell aria può avvenire tramite scambiatori interrati, attraverso lo spazio si sopraelevazione dell intero edificio, che è chiuso perimetralmente da lamelle regolabili o ancora tramite raffrescamento evaporativo con nebulizzatori posti nella presa d aria in sommità dei condotti di ventilazione. L estrazione è invece favorita da un camino solare. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO PASSIVO. 36