EFFETTO DI RAFFRESCAMENTO DELL EDERA SULLA PARETE PERIMETRALE DI UN EDIFICIO

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1 EFFETTO DI RAFFRESCAMENTO DELL EDERA SULLA PARETE PERIMETRALE DI UN EDIFICIO H.F. DI e D.N. Wang Thermal Engineering Department, Tsinghua University, Beijing, China. 14 luglio 1998 Introduzione Questa scheda riassume le ricerche, condotte dai due ricercatori del Dipartimento di Ingegneria termica dell Università di Pechino, sugli effetti che un rivestimento realizzato mediante rampicanti di edera può produrre sulla parete perimetrale di un edificio. Per molto tempo la progettazione di edifici è dipesa dai sistemi di condizionamento dell aria per fornire una temperatura confortevole e una adeguata percentuale di umidità negli spazi interni, ma di recente si è compreso che tali sistemi non sono la migliore soluzione soprattutto per il loro elevato consumo di energia. Inoltre essi possono contribuire a provocare quella che viene definita sick building sindrome, la sindrome da edificio malato che consiste in una serie di disturbi (cefalea, irritazione di naso e gola, tosse secca, vertigini o nausea, difficoltà di concentrazione e affaticamento) che affliggono le persone che passano molte ore all interno di un edificio chiuso. Causa di questi disturbi è la presenza eccessiva di inquinanti nell aria interna di un ambiente, veicolati dagli impianti di climatizzazione. A fronte di ciò molte persone oggi preferiscono un modo diverso per ottenere all interno di un edificio un ambiente soddisfacente, usando meno possibile l energia da fonte fossile e sfruttando il più possibile le risorse rinnovabili, al fine di contenere i consumi energetici e proteggere l ambiente. Studi recenti hanno mostrato che gli edifici con rivestimenti vegetali presentano nel periodo estivo temperature più basse di quelli che ne sono sprovvisti; inoltre viti o edere rampicanti possono aumentare il contenuto di umidità dell aria di circa il 10-20%. La naturalizzazione della città può abbellire lo scenario urbano, migliorare la qualità dell ambiente, diminuire l inquinamento e ridurre la polvere e il rumore. Da sempre questi benefici sono stati infatti riconosciuti da architetti e dagli urbanisti. Questa scheda descrive un esperimento svoltosi in due periodi estivi consecutivi su un edificio a due piani con lo scopo di studiare il processo di riduzione della temperatura su una parete verde, il trasferimento di energia termica tra le piante e la muratura perimetrale ed i principi teorici alla base del raffrescamento naturale. Descrizione dell esperimento Per le pareti rivestite di edera parte della radiazione solare è riflessa dalle foglie e parte penetra lo strato di fogliame e viene assorbita dalla parete, mentre il resto è assorbita dalle foglie verdi. Dell energia solare assorbita dallo strato di fogliame, una quota è usata per la fotosintesi, un altra per il raffreddamento traspirativo, un altra quota è emessa sotto radiazione ad onda lunga (infrarosso) e il resto è ceduta dal trasferimento di calore all aria circostante. Questi trasferimenti di energia devono essere conosciuti per determinare quanto le piante verdi possono ridurre il guadagno di calore durante il giorno. Di notte, invece, quando la temperatura atmosferica è relativamente bassa, gli edifici generalmente si raffreddano dalla perdita di energia per radiazione ad onda lunga. Perciò uno strato di foglie esistente tra la parete e l atmosfera potrebbe ridurre la radiazione ad onda lunga e la portata di calore. Quindi gli effetti dei processi del trasferimento del calore di giorno e di notte devono essere considerati per valutare l effetto di una parete verde sull ambiente interno di un edificio. Lo scopo di questo esperimento è stato quello di raccogliere i dati come base per un analisi quantitativa. Il sito Per tale esperimento un edificio adatto dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: uno spesso strato di foglie che ricopre la parete perimetrale all esterno; un carico termico relativamente costante; nessuna ombreggiatura limitrofa tranne il rivestimento vegetale. 11

2 Fig. 1 Vista della parete ovest della biblioteca (parte vecchia) dell Università Tsinghua a Pechino. Per l esperimento è stata scelta la biblioteca dell Università Tsinghua di Pechino rappresentata in Fig. 1. La parte più vecchia di questo edificio è una corpo di fabbrica di due piani, costruito nel 1919 con le pareti esterne in mattoni e la copertura rivestita in coppi. La biblioteca si trova in un area verde, ha le superfici delle pareti orientate ad ovest e a sud rivestite con uno strato spesso di edera, ha cespugli di altezza pari a circa 1 m intorno all intera costruzione ed è circondata da piante di ginko sulla parte inferiore della parete orientata ad ovest. I punti di misurazione sono stati posti sulla parte superiore della parete perimetrale orientata ad ovest al secondo piano. La stanza interna dell edificio corrispondente a questo livello, è una grande sala lettura che si estende per 50 m lungo la direzione nordsud e si allarga 15 m nella direzione est-ovest con un altezza complessiva di 6 m. Relativamente poche persone usano la stanza e la temperatura varia poco durante il giorno e la notte. La parete riceve sole dalle ore 11:30 del mattino fino alle ore 18:00 del pomeriggio. In estate il rivestimento di edera è molto spesso sulla superficie della parete orientata ad ovest, con uno strato di foglie verdi che si alza a circa 10 cm dalla parete e con fitti ramoscelli sotto il fogliame di edera. Radiazione solare Un piranometro tipo DFY è stato montato sulla superficie della parete ovest per misurare la radiazione solare. I dati sono stati registrati automaticamente per un mese a intervalli di 5 minuti. Flusso di calore Un misuratore del flusso di calore è stato fissato alla parete della quale riprende il colore superficiale. Il flusso di calore è stato registrato automaticamente ogni 5 minuti per un mese. Il tasso di errore durante la misurazione è stato inferiore al 4%. Velocità del vento Un anemometro a due direzioni è stato usato per misurare la velocità del vento sopra lo strato di foglie. Una parete spoglia, direttamente esposta al sole, è stata invece usata come superficie di controllo. La parete spoglia è stata ottenuta tagliando 1 m 2 di foglie e rami alla stessa altezza e sulla stessa facciata dell edificio, applicando lo stesso sistema di misurazione. La strumentazione rappresentata in Fig. 2 è quella usata nella misurazione che ha permesso di registrare puntualmente la temperatura superficiale, il flusso di calore, la temperatura dell aria a 5 cm dalla parete e la velocità del vento. L esperimento è stato ripetuto sullo stesso sito per due estati consecutive, rispettivamente nel 1996 e nel L incertezza dell esperimento non è stata considerata in questo articolo. 12

3 Fig. 2 Dispositivi impiegati per l esperimento. (Fonte: schema elaborato dall autore.) EQUAZIONI COMPUTAZIONALI Sono state impiegate tre equazioni fondamentali, espresse di seguito, per poter effettuare le verifiche energetiche: la prima equazione per lo strato di edera, la seconda per la parete di edera e la terza per la parete spoglia. I dati inseriti nelle equazioni sono stati ottenuti attraverso le misurazioni. La radiazione solare, le temperature e i flussi di calore sono state le quantità note nelle equazioni. Le incognite sono state il tasso di traspirazione dalle foglie e il coefficiente di trasferimento del calore per convezione ai due tipi di parete (spoglia e rivestita di edera). Queste equazioni hanno potuto poi essere usate per calcolare i trasferimenti di energia nel sistema. Il coefficiente di trasferimento del calore per convezione relativo ai due tipi di pareti potrebbe aumentare la nostra comprensione dell effetto di raffreddamento dell edera. Il modello teorico di trasferimento del calore alle foglie e alla parete ha assunto le seguenti condizioni: nessuna sovrapposizione degli strati di foglie; temperatura uniforme delle foglia; l edera ha una capacità termica trascurabile (insignificante). Il bilancio dell energia per lo strato di foglie è stato: Tab. 1 Nomenclatura dei simboli impiegati nelle equazioni. (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione della tabella da parte xα l q rad 2h l (T l - T α ) q le q lw h sf m = 0 [1] Il rapporto dell area rivestita dalle foglie verdi sulla superficie totale della parete, x, è stato determinato per essere 0,95 sulla base delle fotografie della parete rivestita di edera. Il bilancio energetico per la parete rivestita di edera è stato: 13

4 (1 x) α w q rad + τ l q rad + τ l q rad + q lw h w (T w - T α ) q w = 0 [2] Il bilancio energetico per la parete spoglia è stato: α w q rad q bwe h bw (T bw T α ) q bw = 0 [3] Il coefficiente di trasferimento del calore per convezione h l nell equazione [1] è stato calcolato usando la formula sperimentale: h l = 9,14 (v/d) [4] Il flusso di calore radiante tra le foglie e la parete, q lw, in equazione [1] è stato calcolato dall equazione: q lw = σ (T l 4 T w 4 ) / [(1/ε l ) + (1/ ε w ) 1] [5] Dall equazione energetica dello strato di edera [1] e dall equazione [5], si sono potute calcolare la radiazione ad onda lunga tra lo strato di foglie e la parete di edera, il calore latente e il trasferimento di calore convettivo dallo strato di foglie. Mentre dall equazione energetica della parete di edera [2], è stato calcolato il trasferimento di calore convettivo dalla parete di edera per essere confrontato con il trasferimento di calore convettivo dalla porzione di parete priva di rivestimento vegetale, calcolato dall equazione della parete spoglia [3]. Per confrontare il calore condotto attraverso i due tipi di pareti, un esplicito metodo di differenza-finita è stato usato per valutare il flusso di calore in ogni ora sulla superficie interna della parete. Questo calcolo ha mostrato il risparmio del carico energetico finale dell edera sull edificio. Fig. 4 Andamento dei flussi energetici tra i vari strati. (Fonte: schema elaborato dall autore.) La temperatura della parete sul nodo i e al tempo k+1 è stata espressa come: T i k+1 = F o (T k i-1 + T k i+1) + (1 2F o ) T i k [6] Poiché sono noti il flusso di calore sulla superficie esterna della parete e la temperatura nella stanza, la temperatura sulle due superfici della parete può essere espressa come segue: T i k+1 = 2F o T 2 k + (1 2F o ) T 1 k + (2F o x/λ) q k [7] T N+1 k+1 = 2F o (T N k + B i T f k ) + (1 2F o 2 B i F o ) T k N+1 [8] Nelle equazioni [6] e [8] il numero di Fourier e il numero di Biot sono stati definiti come segue: 14

5 F o = (λ τ)/(ρc x 2 ) [9] B i = (h f x)/λ [10] Il coefficiente di trasferimento convettivo del calore sulla superficie interna della muratura della parete è stato definito in 8,7 W/m 2 K e l intervallo di tempo è stato di 300 s. La distanza tra i nodi è 0,037 m, così che il numero totale dei nodi attraverso la parete è stato di 10. La temperatura iniziale della parete è stata assunta per essere uniforme a 20 C. Risultati conseguiti I dati per le analisi energetiche sono stati registrati in buone condizioni climatiche. Il 9 giugno 1996 è stato infatti un giorno sereno con poco vento e l umidità relativa si è aggirata intorno al 43%. Per questa giornata sono riportati i dati misurati sulla distribuzione della temperatura nei grafici di Fig. 4 e di Fig. 5. Mentre nei grafici di Fig. 6 e di Fig. 7 sono mostrate rispettivamente le analisi del trasferimento di energia dello strato del fogliame, della parete di edera e della parete spoglia. Nel grafico di Fig. 9 è rappresentato l andamento del flusso di calore sulla superficie esterna dei due tipi di pareti (rivestita con essenze vegetali e spoglia). Infine nella Fig. 10 è stato calcolato il guadagno di calore sul lato interno dei due tipi di parete. Fig. 4 Distribuzione delle temperature registrate durante il 9 giugno Nel grafico a sinistra la linea solida rappresenta la temperatura media registrata dalle ore 14:20 alle ore 18:25 del pomeriggio, mentre la linea tratteggiata rappresenta la massima temperatura intorno alle ore 16:40. Le linee con solo due punti mostrano la situazione parallela relativa alla parete spoglia. Nel grafico a destra la linea solida rappresenta la temperatura media dalle ore 21:25 alle ore 4:15 del mattino. Benché la temperatura sia costante di notte, i valori massimi non sono stati mostrati. La linea corta mostra la situazione parallela relativa alla parete spoglia. (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del grafico da parte Il grafico di Fig. 4 mostra la distribuzione delle temperature medie e massime misurate lungo i vari punti posti a diverse distanze sia dalla parete rivestita di verde, che da quella spoglia; il grafico di Fig. 5, invece, rappresenta le variazioni di temperatura delle due pareti (con rivestimento vegetale e spoglia) durante le ore notturne. I dati in Fig. 4 e in Fig. 5 mostrano che la temperatura media delle foglie è stata di 8,2 C più elevata della temperatura media della parete sotto il fogliame, quando il sole era alto all orizzonte. Benché l assorbività delle foglie fosse simile a quella della parete, la temperatura media delle foglie è stata di 4,5 C più bassa di quella della parete spoglia esposta direttamente alla radiazione solare. La maggior parte della radiazione solare incidente sulla parete spoglia è stata infatti da quest ultima assorbita, provocando un aumento della temperatura del muro perimetrale. Per lo strato di foglie, l evaporazione e la convezione termica su entrambi i lati ha ridotto la temperatura del fogliame, comportando un abbassamento della temperatura delle foglie rispetto a quella della parete esposta. 15

6 Fig. 5 Confronto dell andamento della temperatura superficiale per la parete verde (rivestita di edera) e per la parete spoglia riferito alla fascia oraria pomeridiana del giorno 9 giugno (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del grafico da parte Durante la notte le temperature della parete verde sono leggermente più elevate di quelle della parete spoglia. La convezione termica è stata simile sui due tipi pareti, ma la radiazione ad onda lunga dalla parete spoglia ha causato un maggior raffreddamento di quest ultima. Come evidenziato in Fig. 4 durante la notte la temperatura delle foglie si è aggirata intorno a 16 C, mentre quella della parete spoglia è stata di circa 20 C. Benché la temperatura dell aria sia stata molto bassa, la radiazione termica dalla parete rivestita allo strato di fogliame è stata inferiore della radiazione dalla parete spoglia all aria. Fig. 6 Flussi energetici verso lo strato del fogliame misurati il giorno 24 luglio (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del grafico da parte Nel grafico di Fig. 6 sono stati riportati in dettaglio i flussi di energia verso la parete e lo strato di fogliame per diverse ore pomeridiane durante il giorno 24 luglio Nonostante la curva di traspirazione sia stata parallela alla curva della radiazione, l energia assorbita attraverso il calore latente è stata riferita direttamente alla radiazione solare. Il flusso medio di calore per traspirazione si è aggirato intorno ai 56,8 W/m 2, che è stato il 42,5% della radiazione solare assorbita dalle foglie. Un altro 40% della radiazione solare assorbita dalle foglie è stato perso per convezione termica e il 18,9% è stato perso sottoforma di radiazione ad onda lunga verso la parete. Fig. 7 Flussi energetici verso la parete rivestita di edera misurati per diverse ore il giorno 24 luglio (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del grafico da parte Fig. 8 Flussi energetici verso la parete spoglia misurati per diverse ore il giorno 24 luglio (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del grafico da parte Nel grafico di Fig. 7 si può osservare invece che la parete rivestita di edera esposta ad ovest ha ricevuto una media di 186 W/m 2 di radiazione solare durante il giorno. La radiazione solare riflessa dalle foglie di edera è stata di 27,9 W/m 2, mentre quella assorbita dalle foglie è stata circa di 133 W/m 2 e quella passante attraverso lo strato di edera si è aggirata intorno ai 28 W/m 2. La parete rivestita ha assorbito circa 20 W/m 2 di radiazione solare e 25 W/m 2 di 16

7 radiazione ad onda lunga, e ha realizzato 25 W/m 2 per convezione, mentre ha lasciato fluire circa 20 W/m 2 dentro la stanza dell edificio. Fig. 9 Flusso di calore medio rilevato il giorno 24 luglio 1996 per entrambi i tipi di pareti. (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del grafico da parte Nel grafico di Fig. 9 viene confrontato il flusso di calore verso la parete rivestita di edera con quello verso la parete spoglia nel giorno 24 luglio Il flusso di calore verso la parete verde è stato circa la metà di quello verso la parete spoglia, quando il sole era alto in cielo; tale andamento del flusso termico rende evidente la capacità del rivestimento vegetale di ridurre sostanzialmente il carico di picco dell aria condizionata durante il periodo estivo. Di notte il flusso di calore dalla superficie della parete spoglia è stato leggermente maggiore di quello dalla superficie della parete rivestita di edera, principalmente dovuto ad una differenza nella radiazione ad onda lunga dai due tipi di pareti. Fig. 10 Flusso di calore calcolato sulla superficie interna di entrambi i due tipi di pareti nel giorno 24 luglio (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del grafico da parte Nel grafico di Fig. 10 sono riportati gli andamenti del flusso di calore calcolati sulla superficie interna dei due tipi di parete per il giorno 24 luglio Il flusso medio di calore per conduzione attraverso la parete spoglia è stato più elevato di quello attraverso la parete verde e si è aggirato intorno ai 2,045 W/m 2, mentre il flusso medio di calore attraverso la parete verde è stato vicino allo 0. Il flusso massimo di calore dalla parete spoglia è stato di circa 11,38 W/m 2, a differenza di quello dalla parete verde che si è aggirato intorno a 8,16 W/m 2. Di conseguenza il carico di picco per il raffreddamento dell edificio è stato ridotto del 28%. Allo stesso tempo il calcolo ha anche evidenziato che il picco del flusso di calore attraverso la parete è stato ritardato di circa 8 h. Nello stesso giorno il coefficiente di trasferimento del calore per convezione sulla parete verde è stato mediamente di 10,6 W/m 2 K (valore appropriato per la convezione naturale), mentre quello sulla parete spoglia è stato maggiore e si è aggirato intorno a 33,25 W/m 2 K, poiché non c è stata la presenza di fogliame a fermare il vento e a ridurre l aumento dell aria corrente lungo la parete. Conclusioni L effetto di raffreddamento dell edera sulla parete di un edificio è stato analizzato misurando simultaneamente la temperatura della superficie sia della parete spoglia che di quella rivestita di edera durante il giorno e la notte. Si è osservato che le piante riducono del 28% il carico di picco di raffreddamento trasferito attraverso la facciata esposta ad ovest durante una giornata estiva. Poiché la superficie della parete esposta ad ovest riceve più calore delle altre superfici in estate, il carico dell aria condizionata potrebbe essere ridotto sostanzialmente da un rivestimento vegetale della facciata edilizia. La parete verde riduce infatti il guadagno di calore per assorbimento e per riflessione della radiazione solare; si è osservato che circa il 40% dell energia assorbita dalle foglie è poi persa per convezione, mentre il 42% per traspirazione e il resto per radiazione ad onda lunga verso l ambiente. Di notte l edificio rilascia calore per radiazione infrarossa verso il cielo e per convezione con l aria circostante. Quando la temperatura della foglia è uguale a quella dell aria, la traspirazione è vicina a zero e lo strato di fogliame riduce la perdita di calore dall edificio 17

8 poiché diminuisce il trasferimento di calore per radiazione. Perciò di notte la temperatura della parete spoglia è stata leggermente più bassa della temperatura della parete verde. Se altre misure come la ventilazione notturna sarebbero state usate per raffreddare l edificio, questo effetto negativo sarebbe diminuito. L effetto di raffreddamento dell edera varia infine con le stagioni. Infatti in luglio e all inizio di agosto l edera è stata in grado di ridurre di giorno sostanzialmente l energia assorbita dalla parete e di diminuire la temperatura dell aria interna. In giugno la temperatura esterna è relativamente bassa e il carico termico è anch esso basso, così un edificio rivestito con edera deve avere temperature interne più alte di quelle di un edificio privo di rivestimento vegetale. 18