INTRODUZIONE ALL ARCHITETTURA BIOCLIMATICA. L Architettura bio-climatica.

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1 Corso di laurea specialistica in architettura per la sostenibilità. AA 2003/04 LABORATORIO INTEGRATO 3. PRIMO SEMESTRE DEL SECONDO ANNO Corso di TECNICA DEL CONTROLLO AMBIENTALE Prof. Antonio Carbonari INTRODUZIONE ALL ARCHITETTURA BIOCLIMATICA L Architettura bio-climatica. Secondo una sintetica definizione comunemente accettata sono definite sostenibili le scelte, riguardanti i modelli di sviluppo, che consentono di soddisfare i bisogni attuali senza compromettere la soddisfazione dei bisogni futuri. Pertanto un architettura sostenibile è quella che tende a minimizzare, nell arco del suo intero ciclo di vita, il consumo di risorse non rinnovabili (materiali da costruzione e fonti energetiche) e l impatto sull ecosistema, locale e globale. Per un architettura che si prefigge di perseguire le sue finalità rispettando il vincolo della sostenibilità così intesa sono state coniate negli ultimi decenni varie definizioni, più o meno suscettibili di implicazioni più estese: architettura sostenibile, bio-architettura, architettura biocompatibile, eco-compatibile, a basso consumo energetico, progettazione energeticamente consapevole o energeticamente efficiente, più limitativa di tutte è la definizione: architettura solare. Da circa una quarantina d anni [V. Olgyay, 1963] con il termine architettura bioclimatica si intende un architettura che sfrutta come risorsa le caratteristiche morfologiche ed il clima del luogo, :impiega prioritariamente i materiali locali e per il proprio funzionamento utilizza le fonti energetiche rinnovabili locali: radiazione solare, venti, vegetazione, corsi d acqua. In essa, come si vedrà dagli esempi, le funzioni di climatizzazione ed illuminazione interna, normalmente svolte dagli impianti, vengono svolte, almeno in parte, dall edificio stesso. Questa definizione riprende ed estende all aspetto energetico la nozione Wrightiana di architettura organica. I meccanismi dell architettura bio-climatica I meccanismi su cui si basa il funzionamento degli edifici bioclimatici, ai fini della climatizzazione, sono relativamente semplici, anche se poi il loro controllo può richiedere azioni (movimentazioni di parti) che seguono logiche complesse e che possono essere attuate mediante dispositivi automatici sofisticati. Si possono individuare i seguenti principali effetti o meccanismi fisici: - guadagno solare, che si verifica su tutte le superfici edilizie opportunamente orientate, - schermatura della radiazione solare, quando questa non è richiesta, - riparo dai venti tramite ostacoli fisici, appartenenti o meno all edificio, - uso dei venti ai fini del raffrescamento e della deumidificazione, - effetto serra entro cavità confinate in parte da elementi vetrati, - effetto camino: tiraggio che si verifica in una cavità quando alcune sue superfici sono calde e riscaldano convettivamente l aria interna, - raffrescamento evaporativo, - effetto Venturi: ovvero accelerazioni e rallentamenti di una corrente d aria tramite restringimenti o dilatazioni dei passaggi, in modo da provocare nel primo caso depressioni con conseguente aspirazione di aria da altre zone, - accumulo di energia termica in forma sensibile o latente in opportune strutture (masse), - coibentazione dell involucro per limitare dispersioni o guadagni termici indesiderati.

2 Si approfondirà in un apposito capitolo il funzionamento di questi meccanismi, per ora si può osservare come ad esempio l uso della vegetazione può coinvolgerne contemporaneamente più d uno: riparo dai venti, schermatura della radiazione solare, umidificazione dell aria mediante l evapotraspirazione attraverso le foglie oltre alla funzione igienica di ossigenare l aria. Sui sopraelencati meccanismi si basano dei sistemi di climatizzazione che di norma non richiedono per il proprio funzionamento la somministrazione di forme di energia diversa da quella rinnovabile che si intende sfruttare (Sole e vento in genere), se non in minima parte per azioni di controllo. Tali sistemi di climatizzazione vengono pertanto detti passivi. In un determinato contesto climatico l insediamento umano può avvalersi anche di più sistemi passivi o fenomeni fisici, parleremo allora di strategie bioclimatiche. Quando si parla di architettura bioclimatica alcuni autori tendono a sottolineare la continuità con l architettura del passato in particolare di quella spontanea e propongono un ritorno alla tradizione (corrente architettonica neo-vernacolare ). Ma va rilevato che, sebbene alcuni sistemi passivi siano sempre stati presenti nell architettura del passato, nei tempi più recenti l attenzione si è spostata dall utilizzo dei meccanismi più semplici, quali il guadagno solare diretto, lo sfruttamento dell inerzia termica delle masse (smorzamento e ritardo del guadagno termico), schermatura della radiazione e del vento, verso l uso di dispositivi più sofisticati basati su nuovi materiali, quali il vetro e gli isolanti, usati anche in maniera dinamica (schermature mobili e avvolgibili). L edificio come sistema I metodi di analisi dei processi di produzione edilizia sviluppatisi negli ultimi decenni adottano correntemente un approccio sistemico. L edificio viene considerato un sistema: ovvero un insieme di parti interconnesse e finalizzate; il cui fine è quello di garantire al suo interno le condizioni per lo svolgimento di determinate attività umane: abitative, lavorative o ricreative. La prima prestazione dell edificio che viene in mente è quella che consiste nell offrire riparo dai pericoli o semplicemente dal discomfort connesso all ambiente esterno. Dal punto di vista della TCA il comfort da garantire è essenzialmente di tipo termico, luminoso ed acustico. Il sistema-edificio può essere a sua volta scomposto in sub sistemi sempre finalizzati, la cui definizione dipende dalla disciplina entro cui si opera, o meglio: dalla finalità dell analisi. Dei sub-sistemi possono essere: - struttura portante, - elementi di tamponamento esterni e partizioni interne, - impianti tecnologici, - elementi di arredo interno. Dal punto di vista della presente disciplina (TCA) i sub-sistemi di interesse, che coinvolgono sia gli elementi costruttivi che gli impianti tecnologici, possono essere: quelli di: - climatizzazione, - illuminazione, - dispositivi finalizzati allo svolgimento delle attività insediate (es. impianti tecnologici, cucina ed elettrodomestici nel caso delle abitazioni). Si noti come, volendo analizzare l aspetto acustico, vengono coinvolti tutti i sopra elencati subsistemi. Se si focalizza l attenzione sulla climatizzazione, che coinvolge il funzionamento termico dell edificio, dei sub-sistemi che è utile considerare possono essere i seguenti:

3 - accumulo termico (masse), - involucro (elementi di frontiera esterni), - elementi riguardanti il rapporto con la radiazione Solare (captazione o schermatura), - impianto di climatizzazione, - fonti interne di calore: ogni tipo di apparecchiature e impianti che cedono calore all ambiente interno (lampade, cucine, elettrodomestici ed occupanti stessi). Questi sub-sistemi possono a seconda del tipo di edificio coincidere od essere combinati tra loro in vario modo. È evidente ad esempio come le masse di accumulo termico possono comprendere sia gli elementi della struttura portante che quelli di partizione interna, entrambe queste categorie possono poi coincidere nel caso di un edificio a muratura portante, inoltre, sempre in questo caso, le masse di accumulo comprendono anche l involucro. Ma non è importante approfondire in questa sede la classificazione degli elementi costitutivi dell edificio, quanto individuare il ruolo che nelle varie situazioni climatiche possono svolgere le masse, l involucro ed i vari dispositivi tecnologici, in rapporto alla radiazione solare ai venti ed a ogni altra variabile climatica. Si vedrà poi come, nel caso dei sistemi di climatizzazione passiva, masse, elementi di involucro e dispositivi vari possono svolgere, anche se non totalmente, il ruolo normalmente affidato all impianto di climatizzazione. Il clima ed il ruolo dei sub-sistemi dell edificio Semplificando la classificazione Koppen dei climi e tralasciando i climi polari, può essere sufficiente in questa sede distinguere i seguenti tipi di clima [V. Olgyay]: Caldo umido La temperatura media del mese più freddo è sempre superiore ai 18, non c è stagione fredda, deboli escursioni termiche sia annuale che giornaliera Caldo secco o arido L evaporazione supera le precipitazioni, può essere rilevante l escursione termica giornaliera. Temperato (umido temperato caldo) Freddo (climi boreali o microtermici) Temperatura media del mese più freddo inferiore ai 18 ma superiore ai 3 C, sono presenti escursioni termiche sia annuali che giornaliere (più moderate), vi è grande variabilità di tempo atmosferico e di regime pluviometrico. Il clima mediterraneo è un tipico esempio di clima temperato subtropicale con estate asciutta. Temperatura media del mese più freddo inferiore ai 3 C, quella del mese più caldo supera i 10. l Inverno è lungo e freddo, l Estate breve e calda. Grande escursione termica annuale. Tab. I Tipi di Clima. Si ricorda che quando si parla di clima mediterraneo in riferimento all intero bacino mediterraneo si tratta di macroclima, se all interno di un paese come l Italia si vogliono distinguere le situazioni climatiche relative ad esempio a zone montane, pianura padana o fasce costiere allora si parla di mesoclima. Si può schematizzare come segue il ruolo dei sub-sistemi precedentemente individuati in ogni tipo di clima

4 Caldo umido Caldo secco o arido Temperato (umido temperato caldo) Freddo (climi boreali o microtermici) Guadagno solare Accumulo termico Involucro Minimizzare con Minimizzare l inerzia Riflettere rad. Solare, schermature, usarlo termica, strutture essere permeabile alle per ventilare attraverso leggere correnti d aria, bassa opportuni dispositivi trasmittanza, elevato rapporto S/V, sollevare eventualmente Minimizzare con schermature e compattezza dell edificio, usarlo per provocare ventilarzione naturale, umidificazione e raffrescamento evaporativo Massimizzare il guadagno nel periodo freddo, minimizzarlo in quello caldo Massimizzare il guadagno solare Elevata inerzia, per ritardare e smorzare la trasmissione all interno del guadagno termico diurno e realizzare un accumulo giornaliero del fresco notturno Può essere utile un elevato accumulo sia giornaliero che stagionale del calore, se l edificio è fruito con continuità Può essere utile un elevato accumulo del calore, se l edificio è fruito con continuità l edificio dal suolo Riflettere rad. Solare, essere permeabile alle correnti d aria di notte, ridurre o umidificare la ventilazione di giorno, bassa trasmittanza, minimo rapporto S/V (forme cubiche o emisferiche), ridurre le aperture Perseguire una compattezza media massimizzando la superficie esposta a Sud (alle nostre latitudini), con forme planimetriche allungate in direzione Est-Ovest Perseguire una compattezza media massimizzando la superficie esposta a Sud Tab. II Tipi di Clima e ruolo dei sub-sistemi dell edificio Quanto sopra detto riguardo il rapporto S/V e la massimizzazione o minimizzazione della superficie esposta alla radiazione solare riguarda sia l edificio che l aggregazione di edifici, ovvero il tessuto urbano. Schematizziamo a titolo esemplificativo le strategie bioclimatiche attuate negli insediamenti tradizionali, nella cosiddetta architettura spontanea, in alcune situazioni a noi prossime. Nei climi mediterranei si è sempre fatto uso di: - murature massicce per ritardare e smorzare la trasmissione all interno del guadagno termico diurno e conservare per alcune ore del giorno il fresco notturno ottenuto mediante ventilazione e radiazione delle superfici esterne verso il cielo, - coloritura chiara delle superfici edilizie esterne, per limitare il guadagno termico solare, - compattezza del tessuto edilizio, con piccole corti e strade strette, in modo da limitare il guadagno solare, - ombreggiamento con tende e con vegetazione degli spazi urbani, - raffrescamento evaporativo mediante fontane e spruzzatura di acqua su pareti e tende.

5 Quasi tutti i sopraelencati meccanismi sono utilizzati anche nei climi aridi, climi nei quali sono stati sviluppati ulteriori se più sofisticati sistemi di raffreddamento e umidificazione basati sull inerzia, l effetto camino e l evaporazione dell acqua. Nei nostri climi freddi, quali i climi montani l architettura spontanea offre l esempio della baita alpina, che utilizza i seguenti meccanismi: - una forma dell involucro che presenta un ampia facciata a Sud e ridotte pareti nelle altre direzioni soprattutto verso Nord, sfruttando la pendenza del terreno e prolungando le falde della copertura, in modo da massimizzare il guadagno solare invernale e la protezione dall effetto raffreddante dei venti, - contenimento delle dispersioni mediante: piccole finestre con scuri anche interni, utilizzo di locali tampone (fienile nel sottotetto, stalla e deposito al piano terra), accumulo di legna da ardere a ridosso delle pareti esterne, la debole inclinazione delle falde consente l accumulo di neve che costituisce anch essa uno strato coibente), murature a bassa trasmittanza: in pietre nella parte bassa ma in legno (tronchi incastrati) nella parte superiore, con intercapedine riempita di terra e paglia, - recupero di energia da fonti interne: calore metabolico di occupanti ed animali della stalla (non isolata dalla zona abitata soprastante), camino centrale, letti a nicchia nelle pareti. Bilancio di massa e di energia dell edificio Ognuna delle funzioni/prestazioni abitative che l edificio deve svolgere (garantire il comfort termico, luminoso e lo svolgimento delle particolari attività insediate) è associata a degli scambi di materia ed energia con l ambiente esterno ed a operazioni finalizzate a convertire queste risorse (materia ed energia) in forme utilizzabili o servizi. Sono questi ultimi i cosiddetti usi finali dell energia e delle altre risorse. Le operazioni di conversione vengono svolte mediante appositi dispositivi; ad esempio un combustibile viene convertito in energia termica mediante un bruciatore, le derrate alimentari vengono convertite in cibo in una cucina, l aria esterna viene trattata in un apposita macchina prima di essere immessa all interno, l eccessiva radiazione solare viene attenuata da una tenda per evitare fenomeni di surriscaldamento o abbagliamento. Questi dispositivi convertitori di risorse possono essere elementi impiantistici o parti dell edificio e del suo involucro. Le masse interne ed esterne dell edificio svolgono ad esempio il loro ruolo nel sistema di climatizzazione, come le superfici esterne vetrate, che svolgono un ruolo anche nel subsistema riguardante l illuminazione. Sempre parlando di sistemi, dal punto di vista termodinamico l edificio può essere visto come un sistema (questa volta in senso termodinamico) aperto e non isolato, il cui confine (fatto di involucro ed elementi impiantistici) è un qualcosa che media tra l ambiente esterno e l ambiente interno, controllando il transito di massa e gli scambi di energia. In quest ambito l impianto di climatizzazione può essere considerato un sistema o un complesso di sistemi termodinamici distinti dall edificio. Si può parlare allora di sistema edificio-impianto, che interagisce a sua volta con l ambiente esterno e con un sovra-sistema energetico (locale o più vasto), col quale scambia forme di energia (elettricità, calore da reti di teleriscaldamento) e di materia (combustibili, acqua, fluidi vettori, rifiuti). Per analizzare le trasformazioni che avvengono nel sistema edificio-impianto e valutarne l efficienza (in primo luogo termodinamica, quindi economica), è necessario partire dalle prestazioni che l edificio deve fornire ai suoi utenti, ad esempio il mantenimento del comfort termico o luminoso, e definire la domanda di risorse, materia ed energia, da esse richiesta.

6 Sistema energetico nazionale Sistema energetico locale Sistema dificio-impianto impianto Edificio, Fig. 1 Sistemi in gioco. Si tratta poi di analizzare l appropriatezza con cui queste risorse vengono convertite in prestazioni abitative. Un criterio di per valutare questa appropriatezza è il calcolo del rendimento termodinamico del secondo ordine o rendimento exergetico del processo, definito come il rapporto tra l Exergia ottenuta alla fine del processo e l Exergia spesa. [A. Cavallini, L. Mattarolo]. Ricordiamo che l Exergia è quella grandezza termodinamica che misura l entità del lavoro termodinamico massimo ottenibile da una data quantità di energia disponibile, ovvero la quantità di lavoro ottenibile in condizioni ideali. In questo senso l Exergia misura la qualità dell energia. Come si è visto in termodinamica la trasformabilità del calore in lavoro, l efficienza con cui ciò avviene, è legata alla temperatura dell energia termica disponibile, aumenta con essa. Se al termine di un processo in cui vengono bruciati dei combustibili otteniamo energia termica a temperatura poco diversa da quella dell ambiente, come l energia termica che viene fornita agli ambienti confinati ai fini del riscaldamento invernale, è evidente che il rendimento exergetico come sopra definito è prossimo allo zero. Infatti la trasformabilità in lavoro di una quantità di calore a temperatura prossima a quella ambientale, ovvero la sua Exergia, è molto bassa, mentre la trasformabilità in lavoro del calore prodotto dalla combustione (alla temperatura di combustione) era alta. Dal punto di vista degli usi finali si può distinguere, in ordine di valore crescente, tra energia termica: - a bassa temperatura (sotto gli 80 C), per riscaldamento di acqua sanitaria ed ambienti, - media temperatura ( C) richiesta da processi produttivi, sterilizzazioni, cottura di cibi, - ed alta temperatura (sui 2000 C) utilizzabile per produrre lavoro meccanico. In queste valutazioni l energia elettrica è assimilata all energia termica ad alta temperatura in quanto per la sua produzione, a parte il caso delle celle PV o delle celle a combustibile, è necessario lavoro meccanico, ottenibile a sua volta (a parte il caso della produzione per via idroelettrica ed eolica) bruciando combustibili ad alta temperatura. Inoltre l energia elettrica è trasformabile quasi integralmente in lavoro meccanico. È senz altro non appropriato utilizzare energia termica ad alta temperatura, preziosa in quanto potenzialmente trasformabile in lavoro, per un compito che richiede energia termica a bassa temperatura. Intervenire sugli usi finali significa intervenire sulla domanda prima che sull offerta di energia. È intuitivo che la cosa migliore sia operare in fase di progettazione dell edificio quelle scelte (orientamento, aperture, coibentazione) che consentono poi di limitare la domanda di energia e risorse non rinnovabili in fase di gestione, piuttosto che limitarsi sostituire le fonti energetiche tradizionali con fonti rinnovabili (intervento sull offerta).

7 Sovra sistema energetico Combu stibili fossili Aria esterna Combu stibili fossili Aria esterna Sistema energetico locale Combusti bili fossili elettrica Aria esterna meccanica elettrica Sistema edificio-impianto impianto termica a bassa temperatura meccanica per movimentazion e elementi di involucro termica a bassa temperatura Flusso luminoso Spazio confinato Prestazioni abitative / usi finali dell energia Climatizzazione Mantenere i valori dei parametri di comfort nei limiti Invernale: - limitare dispersioni termiche, - fornire energia termica a bassa temperatura, - umidificare. Estiva - limitare guadagni termici, - sottrarre energia termica, - deumidificare. Illuminazione di interni Prodotti della combustione CFC Calore a bassa temperatu ra meccanica Funzioni che richiedono l uso di elettrodomestici e apparecchiature varie Spostarsi verticalmente (con ascensore) Combus tibili fossili calda a bassa temperatura meccanica (frigo) Calore a media temp. Comunicare (telefono, TV, internet) Curare l igiene della persona, del vestiario, dei locali Nutrirsi, conservare e cuocere cibi Rifiuti organici solidi e liquidi Fig. 2 Flussi di materia ed energia attraverso l edificio

8 Il diagramma a blocchi di figura 2 riporta a titolo di esempio i flussi di materia ed energia, in ingresso ed in uscita dal sistema edificio-impianto, relativi ad alcuni usi finali nella prassi corrente. Riferimenti bibliografici. V. Olgyay. Design with Climate, Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism. Princeton University Press. Princeton, New Jersey M. Bottero, G. Rossi. G. Scudo, G. Silvestrini. Architettura solare tecnologie passive ed analisi costi benefici. CLUP. Milano AAVV. A Green Vitruvus principles and practice of sustainable architectural design. James & James. London AAVV a cura di S. Los e N. Pulitzer. L Architettura della Evoluzione: il sistema abitazione dall industrializzazione edilizia alle tecnologie alternative. L. Parma. Bologna A. Cavallini, L. Mattarolo, Termodinamica Applicata, CLEUP Editore, 1988, Padova.