FUNZIONE TERMICA DELLE PARETI RIVESTITE DI EDERA

FUNZIONE TERMICA DELLE PARETI RIVESTITE DI EDERA Liao Zaiyi, J.L. Niu Department of Building Services Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hunghum, Kowloon, Hong Kong. Introduzione Questa scheda riassume gli studi sulla funzione termica delle chiusure verticali rivestite di edera, condotti dal ricercatore giapponese Liao Zaiyi, che ha messo a punto un modello matematico finalizzato a dare una rappresentazione semplificata dei comportamenti termici di una parete perimetrale rivestita con essenze vegetali. Tale modello è stato integrato con un programma informatico CFD (software di termo-fluido dinamica computazionale) al fine di realizzare la simulazione richiesta. I risultati sperimentali ottenuti sono stati poi usati per definire le condizioni al contorno delle simulazioni numeriche. Successivamente sono state effettuate una serie di analisi di sensibilità parametriche al fine di identificare quali sono i fattori chiave che interessano i rivestimenti in edera per ridurre il carico di raffreddamento degli edifici. Al riguardo sono stati individuati tre parametri considerati rilevanti per la progettazione di pareti rivestite con essenze vegetali: - la densità del verde (d); - la percentuale del rivestimento (r); - le caratteristiche geometriche della griglia di supporto delle essenze vegetali. Le analisi condotte indicano che tali rivestimenti vegetali di facciata sono in grado di ridurre considerevolmente il flusso di calore attraverso le pareti perimetrali di un edificio. La capacità della vegetazione di ridurre significativamente negli edifici i carichi di raffreddamento, prodotti dai dispositivi meccanici di raffrescamento, è stata osservata in diversi studi. Negli anni 80 infatti Huang 1 e il suo gruppo nel Laboratorio Lawrence Berkeley, condussero studi sul potenziale della vegetazione nella riduzione dei carichi di raffreddamento estivi negli edifici residenziali. I risultati delle loro ricerche hanno mostrato che la vegetazione, impiegata come rivestimento di facciata, può contribuire a ottenere un risparmio energetico anche del 25%. Inoltre studi condotti in passato hanno provato che una disposizione adeguata dei rivestimenti di edera sulle facciate edilizie, oltre a migliorare le condizioni microclimatiche degli ambienti interni di un edificio e a ridurre i carichi dell aria condizionata nel periodo estivo, provoca anche effetti psicologici positivi sugli individui, protegge le pareti esterne dalla radiazione solare diretta e, al tempo stesso, è in grado anche di raffreddarle attraverso l aumento dell evaporazione. A tal proposito Huang ha osservato che l edera è in grado di convertire più del 70% dell energia solare che assorbe, in bioenergia attraverso il processo della fotosintesi clorofilliana, senza aumentare notevolmente la propria temperatura. Ciò provoca una minore emissione di radiazione ad onde lunghe tra le foglie e le superfici delle pareti esterne degli edifici, che sono ombreggiate dall edera. Altri due ricercatori, Vu e Asaeda 2, hanno trovato inoltre che la temperatura delle foglie delle essenze vegetali può raggiungere valori di 23 C più bassi rispetto a quelli dell asfalto e delle superfici di calcestruzzo che si trovano alle stesse condizioni di irraggiamento solare. Ad un risultato simile è pervenuto nelle sue misurazioni anche un altro ricercatore di nome Liao 3 che ha rilevato che le pareti rivestite di edera possono ridurre i carichi solari fino al 30%. Negli anni 80 sono stati condotti da Akira Hoyano studi sperimentali sugli effetti di uno schermo solare di edera adottato per rivestire una parete orientata ad ovest. Hoyano ha osservato che un rivestimento totale di edera sulla facciata di un edificio potrebbe ridurre il flusso di calore attraverso le pareti esterne di tre quarti. Inoltre egli ha calcolato la correlazione inversa tra la trasmittanza solare e le condizioni di crescita dell edera (incluse le caratteristiche geometriche delle foglie e il rapporto di copertura). Infine l impiego di essenze vegetali per il rivestimento delle pareti perimetrali contribuisce non solo a ridurre il fabbisogno energetico degli edifici, ma anche a migliorare la valenza estetica di un involucro architettonico. 3

Modello matematico dell esperimento Nonostante i risultati delle ricerche condotte da questi ricercatori, le informazioni tecniche riguardanti l adozione dei rivestimenti di edera sulla facciata di un edificio per migliorare il microclima degli ambienti interni, sono ancora limitate. Ad approfondirne le conoscenze ha contribuito anche lo studio di Liao Zaiyi che ha sviluppato un modello matematico per la simulazione dei comportamenti termici delle pareti rivestite di edera e per la valutazione del potenziale risparmio di energia che ne consegue. Questo modello rappresenta dettagliatamente il meccanismo di come i rivestimenti di edera interagiscono con la parete per ricreare un microclima confortevole all interno degli ambienti confinati. I parametri chiave che interessano considerevolmente la funzione termica dei rivestimenti di edera, sono stati impiegati per definire i test di verifica per la progettazione e per il trattamento dei rivestimenti vegetali dell involucro edilizio. Fig. 1 Schema della parete rivestita di edera. (Fonte: schema costruttivo elaborato dall autore.) Il modello della parete rivestita di edera ICW (ivy-covered wall), descritto da Liao Zaiyi, è composto da tre parti: 1. il rivestimento vegetale ICM; 2. la griglia di sostegno SG; 3. la parete perimetrale EW. Il rivestimento vegetale ICM (ivy canopy model) è costituito dal fogliame di edera, considerato come uno strato omogeneo avente la stessa temperatura in ogni suo punto. Questo rivestimento è caratterizzato geometricamente dai seguenti fattori che determinano le condizioni di crescita dell edera: - percentuale di copertura (r): la percentuale della superficie rivestita della parete; - densità del verde (d): l area delle foglie all interno del volume di riferimento. Una elevata densità del verde significa un migliore stato di crescita dell edera; I processi principali che contribuiscono alla determinazione della condizione termica del rivestimento di edera includono: 1. la radiazione solare assorbita dalle foglie; 2. gli scambi delle radiazioni ad onda lunga tra le foglie e il cielo ed i dintorni; 3. il calore trasferito per convezione tra l aria libera (esterna al rivestimento di edera) e l aria nell intercapedine del rivestimento; 4. il calore trasferito per convezione tra le foglie e l aria (entrambe libera e nell intercapedine del rivestimento); 5. la traspirazione nelle foglie; 6. la fotosintesi che converte la radiazione solare assorbita in energia chimica. La griglia di sostegno SG (Supporting Grid) 4

La griglia di sostegno è costituita da una griglia di metallo lungo la quale i rami dell edera si arrampicano, realizzando un intercapedine d aria tra l edera e la parete esterna. Per semplicità nel modello matematico proposto da Liao Zaiyi l impatto delle masse termiche e la conduttività della griglia metallica e dei rami dell edera non vengono considerate. Dimensione importante è invece l altezza H della griglia definita come la distanza di quest ultima dalla superficie della parete esterna. La parete esterna EW (External Wall) Per semplificare il problema dello studio, la parete perimetrale è assunta come uno strato omogeneo di materiale solido con costanti proprietà termofisiche. La parete rivestita di edera ICW (Ivy covered wall) Il modello descritto da Liao Zaiyi è composto dal rivestimento di edera, dalla griglia di sostegno e dalla parete esterna. Tale modello è definito dalle seguenti caratteristiche geometriche: 1. la percentuale di copertura delle foglie (r); 2. la densità del verde (d); 3. lo spessore medio delle foglie (δ); 4. l altezza della griglia di sostegno (H); Questi parametri consentono di determinare le prestazioni termiche di una parete rivestita di edera ICW. Attraverso questo studio si è cercato di comprendere come queste variabili possano influenzare la funzione di una parete ICW e, nel caso di una simulazione, vengono considerati costanti. Simulazione numerica Il metodo numerico proposto da Liao Zaiyi è messo a punto per calcolare la prestazione termica della parete esterna. In questo studio la parete perimetrale esterna (EW) è costituita da un muro di mattoni spesso 370 mm, che ha le seguenti proprietà termiche: densità: 1200 kg/m 3 conduttività termica: 0,81 W/mK calore specifico: 800 J/kgK Le condizioni al contorno della parete perimetrale con e senza rivestimento di edera sono: lato interno: la temperatura dell aria dell ambiente interno è considerata costante intorno ai 25 C. Il coefficiente di trasferimento del calore convettivo è 8,33 W/m 2 K. lato esterno: la superficie esterna si distingue essenzialmente in quella ombreggiata dall edera e in quella esposta direttamente alla radiazione solare. La superficie muraria protetta dal rivestimento vegetale è trattata come un contorno soggetto a scambi convettivi e radiattivi. Il coefficiente di scambio di calore convettivo di questa porzione ombreggiata è assunto pari a 16,6 W/m 2 K. Per combinazioni differenti dei fattori r, d e H vengono considerati il rivestimento vegetale ICM e la griglia di sostegno SG per calcolare la temperatura ambientale usata per determinare lo scambio termico radiattivo. La muratura esposta alla radiazione solare è trattata invece con gli stessi valori assunti normalmente per la superficie esterna di una parete perimetrale. Il metodo numerico è stato poi impiegato per descrivere la simulazione del comportamento della griglia di sostegno SG. Le condizioni al contorno di tale griglia sono state descritte di seguito: 1) La parete esterna EW si può differenziare in: parete protetta e parete esposta alla radiazione solare. Il rapporto tra fronte protetto e quello esposto è calcolato dalla seguente equazione: (fronte protetto / fronte esposto) = (d / d 0 ) r dove d 0 è la densità del verde di riferimento. 2) Il fronte rivestito di edera considera questa essenza vegetale come un oggetto solido che scambia calore con l aria dell intercapedine e quella dell ambiente esterno. I dati sperimentali sono stati impiegati per determinare la temperatura delle foglie di edera. Si è notato che sotto un certo valore della radiazione solare, una foglia può rimanere ad una temperatura minore rispetto a quella degli altri materiali da costruzione. Inoltre la temperatura della superficie irradiata può avere valori inferiori di 2 C o 3 C rispetto a quella dell aria esterna. 5

Quindi per studiare il modello di parete rivestita di edera ICW sono state svolte le seguenti tre fasi: determinazione delle condizioni climatiche e la temperatura delle foglie; costruzione di una griglia che riporti anche le caratteristiche dell aria interna nell intercapedine compresa tra la griglia di sostegno e la parete perimetrale esterna; (l'intensità di radiazione solare è 900 W/m 2, la temperatura di aria libera è 30 C, velocità di aria libera è 1.5 m/s); assegnazione delle condizioni di contorno della parete esterna EW attraverso il passo precedente. Date poi differenti combinazioni delle caratteristiche geometriche definite dalle variabili r, d e H, è possibile calcolare il flusso di calore che transita dalla parete esterna all aria degli ambienti interni di un edificio. Gli studi riportati da Liao Zaiyi sono volti ad analizzare rispettivamente gli impatti di una delle tre variabili (r, d e H) sulle prestazioni di una parete rivestita di edera ICW, mantenendo le altre due costanti al fine di poter condurre un analisi sensibile della variabile considerata. Risultati conseguiti Il flusso di calore trasferito all aria dell ambiente interno è valutato come un indicatore della prestazione termica di una parete perimetrale rivestita di edera. Sotto condizioni statiche, tale flusso può essere calcolato con la seguente equazione: HF = h in (t wall / inside t in ) dove: t wall / inside è la temperatura della superficie interna di una parete perimetrale rivestita di edera. Data quindi una combinazione delle variabili r, d e H, è stato possibile calcolare il flusso termico HF attraverso la parete perimetrale inverdita. Le analisi sulle variabili parametriche sono state condotte adottando le stesse condizioni comuni per ogni caso studiato: - parete: 370 mm di spessore in mattoni; - temperatura interna: 25 C; - riflettanza della superficie esterna: 0,65. Tre gruppi di sensibilità parametrica sono stati individuati per ognuno dei tre casi analizzati: 1. Caso: variazione del flusso di calore HF al variare della percentuale di copertura r. Condizioni: percentuale di copertura r: 10% - 30% - 50% - 70% - 90% - 100% densità del verde d: 1-2 - 3 altezza della griglia di sostegno H: 5-10 - 15 mm 6

Fig. 2 Relazione tra il flusso di calore HF e la percentuale di copertura vegetale r. (Fonte: Liao Zaiyi, J.L. Niu. Rielaborazione della tabella da parte dell autore.) Attraverso una serie di misurazioni si è potuto osservare che per una certa altezza della griglia di sostegno SG, il flusso di calore HF diminuisce considerevolmente quando la percentuale di copertura r aumenta. Infatti un incremento della percentuale di copertura r comporta una maggior superficie della parete perimetrale che può essere ombreggiatura dall edera. Inoltre si è osservato che quando la percentuale di copertura r è minore del 30%, il flusso termico HF è molto simile a quello di una parete nuda. In questo caso la conduzione del calore attraverso la sezione della parete ometterà i benefici ottenuti dai rivestimenti di edera. Un incremento del valore della densità del verde d può contribuire a ridurre il valore del flusso termico HF. Difatti per determinati valori della r, maggiori sono i valori della densità del verde d, maggiore sarà la superficie protetta della parete esterna. La densità del verde d viene determinata dallo stato di crescita dell essenza vegetale considerata. Una migliore piantagione provoca un'più alta densità verde. Quindi per ottenere la migliore prestazione di una parete ICW, è necessario coltivare appropriatamente l edera, cercando di perseguire determinati valori della percentuale di copertura r. Ad esempio per un muro perimetrale di mattoni si consiglia che la percentuale di copertura r non sia minore del 30%. 2. Caso: flusso di calore HF in funzione della densità di verde d. Condizioni: densità del verde d: 1-1,5-2 - 2,5-3 - 3,5-4 percentuale di copertura r: 30% - 60% - 90% altezza della griglia di sostegno H: 5-10 - 15 mm 7

Fig. 3 Relazione tra il flusso di calore HF e la densità del verde d. (Fonte: Liao Zaiyi, J.L. Niu. Rielaborazione della tabella da parte dell autore.) Per un certo livello della percentuale di copertura r, la densità del verde d ha considerevoli impatti sul flusso di calore HF, quando d ha un valore inferiore a 2,5. Se d assume un valore maggiore di 2,5 il flusso di calore HF ha una minore dipendenza dal valore d. Infatti quando d è maggior di 2,5, il coefficente di ombreggiatura non può più essere migliorato considerevolmente dall area ingrandita delle foglie. Quindi nel caso che la densità del verde d raggiunga un determinato livello, per esempio 2,5 per il muro di mattoni, è importante dare la priorità a realizzare una maggiore percentuale di copertura r piuttosto che aumentare la densità verde d. 3. Variazione del flusso di calore HF in funzione dell altezza della griglia di sostegno H. Condizioni: altezza della griglia di sostegno H: 5-10 - 15-20 mm densità del verde d: 1-2 - 3 percentuale di copertura r: 30% - 60% - 90% 8

Fig. 4 Relazione tra il flusso di calore HF e l altezza H della griglia di sostegno. (Fonte: Liao Zaiyi, J.L. Niu. Rielaborazione della tabella da parte dell autore.) Il risultato della simulazione ha mostrato che per un certo livello di densità del verde d, il flusso di calore ha una considerevole dipendenza dal valore dell altezza della griglia di sostegno H. Maggiore è il valore di H, più elevato è il flusso di calore HF. Infatti un valore maggiore di H dà più libertà all'aria esterna, che, essendo più calda nella stagione estiva, è in grado di entrare nell intercapedine della griglia di supporto SG, che consente a sua volta di aumentare il flusso di calore per convezione dall esterno verso la parete. Di conseguenza è importante minimizzare sempre l'altezza H di SG. La Fig. 4 inoltre indica che maggiore è la percentuale di copertura r, maggiore sarà questa dipendenza. Quando si progetta una parete rivestita di edera ICW, la griglia di sostegno SG dovrebbe essere quindi configurata quanto piccola possibile. Conclusioni In questo articolo è stato presentato un modello matematico di rappresentazione semplificata dei comportamenti termici di una parete perimetrale rivestita di edera. Tale modello è stato adottato per realizzare una serie di simulazioni, che sono state condotte effettuando diverse analisi di sensibilità parametrica al fine di individuare quali sono i fattori chiave rilevanti, che consentono di migliorare le condizioni microclimatiche degli ambienti interni, contribuendo allo stesso tempo a ridurre il fabbisogno energetico di un edificio. Dalle analisi condotte sono stati conseguiti i seguenti risultati sulle caratteristiche dei fattori chiave individuati: 1. Una parete rivestita di edera è costituita essenzialmente dal rivestimento di edera ICM, dalla griglia di sostegno del rivestimento vegetale SG e dalla parete esterna EW. 2. I fattori chiave che interessano significativamente la funzione termica di una parete rivestita di edera sono: la densità del verde d, la percentuale di copertura r, e le caratteristiche geometriche della griglia di sostegno. 3. Dati un certo valore di d e r, il flusso di calore trasferito all interno dell ambiente di un edificio aumenta quando il valore di H aumenta. 9

4. Dati un certo valore di H e d, il flusso termico aumenta quando la percentuale r diviene più piccola. Infatti valori minimi di r significano che vi è una minore superficie della parete esterna protetta dalla radiazione solare diretta. La percentuale di copertura r ha l effetto più significativo sulla funzione termica di una parete rivestita di edera. 5. Dati H e r, vi è un aumento del flusso termico quando il valore d diminuisce. La percentuale della superficie esterna della parete realmente protetta è determinata non solo dal rapporto di copertura, ma anche dalla densità del verde. 6. Infine l altezza della griglia di sostegno SG dovrebbe essere tanto più piccola possibile, mentre la percentuale di copertura r dovrebbe assumere valori maggiori. Il flusso di calore diviene significativamente più elevato, quando r ha un valore inferiore al 30%. Una parete rivestita di edera con un valore r minore del 30% tende ad avere prestazioni termiche simili a quelle di una parete non rivestita di essenze vegetali. Perciò per ottenere un vantaggio dall adozione di un rivestimento di edera, la percentuale di rivestimento r deve avere un valore maggiore del 30%. Comparata con una parete nuda, una parete rivestita completamente di edera (100%) è in grado di ridurre il guadagno solare fino al 37%. NOTE 1 Y. J. Huang, H. Akbari, H. Taha, The Wind-Shielding and Shading Effects of Trees on Residential Heating and Cooling Requirements, 1990 Winter ASHRAE Meeting, Atlanta, GA, February 10-14, 1990. Y. J. Huang, H. Akbari, The potential of vegetation in Reducing Summer Cooling Loads in Residential Buildings. 2 V. Thanh C. T., Asaeda E. M. Abu, Reduction in air conditioning energy caused by a nearby park, in Energy and Buildings, Volume 29, Number 1, 1998, pp. 83-92. 3 Liao Zaiyi, Tsou Jinyeu, Impact of Greenbelts on the Thermal Environment of Residential Communities, in The First Conference on Architectural Design and Technology for Sub-Tropical Climates, Guangzhou, China, 1998. 10