Elementi di architettura bioclimatica:
L APPROCCIO BIOCLIMATICO AL PROGETTO DI ARCHITETTURA WLADIMIR KOPPEN HA FONDATO LA BIOCLIMATOLOGIA AD INIZIO DEL XX SEC. PER SPIEGARE LE CAUSE DELLA DISTRIBUZIONE DELLA VEGETAZIONE NELLE DIVERSE REGIONI DELLA TERRA VICTOR OLGYAY È STATO COLUI CHE PER PRIMO, NEGLI ANNI 60 DEL XX SEC., HA SVILUPPATO L APPROCCIO BIOCLIMATICO NELL AMBITO DELL ARCHITETTURA Wladimir Koppen
L APPROCCIO BIOCLIMATICO AL PROGETTO DI ARCHITETTURA SI PUÒ DEFINIRE ARCHITETTURA BIOCLIMATICA QUELLA CHE ASSICURA LE CONDIZIONI DI BENESSERE NEGLI EDIFICI MINIMIZZANDO L USO DI IMPIANTI ALIMENTATI DA FONTI ENERGETICHE ESAURIBILI.
VANTAGGI DELLA PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA Diminuzione dei consumi di combustibili fossili Risparmio Beneficio ambientale Circa l'80% dell'energia primaria utilizzata nel mondo proviene dai combustibili fossili 35% dal petrolio 21,2% dal gas 23,3% dal carbone Negli ultimi 150 anni si sono consumate circa la metà delle risorse disponibili.
CLIMA E COSTRUZIONE Paradossalmente, si può affermare che le risposte costruttive alle differenti condizioni climatiche sono più semplici quando tali condizioni sono estreme e non variano apprezzabilmente durante l arco dell anno (clima costantemente freddo, costantemente caldo secco, costantemente caldo umido). Diversamente, nei climi temperati, come ad esempio quello mediterraneo, caratterizzati dalla presenza di diverse stagioni che variano dal freddo al caldo, le soluzioni costruttive devono essere in grado di rispondere adeguatamente a esigenze contrapposte che mutano durante il corso dell anno. Clima freddo Clima caldo e secco Clima caldo e umido Clima temperato
Esempi di risposte costruttive tradizionali alle condizioni climatiche Clima freddo Caratteri del clima L inverno dura più di otto mesi e le estati sono brevi e fresche. Le stagioni intermedie sono assenti. Il terreno rimane coperto di neve per 5-8 mesi. La temperatura dell aria è sempre bassa, la media del mese più caldo è inferiore a 10 C. Le precipitazioni sono scarse. Strategie di benessere ambientale Minimizzare la dispersione del calore verso l esterno Ridurre al minimo indispensabile l aerazione e la ventilazione interna Sfruttare l inerzia termica del terreno Risposta costruttiva Volumi compatti Pareti massicce Volume in parte seminterrato Piccole aperture
Esempi di risposte costruttive tradizionali alle condizioni climatiche Clima caldo secco Caratteri del clima Temperature costantemente alte di giorno e medio basse di notte Poche piogge (inferiori a 250 mm all anno) Bassa umidità dell aria Strategie di benessere ambientale Minimizzare la captazione solare diurna Favorire il raffrescamento per ventilazione Favorire il raffrescamento per evaporazione Ambienti interni in ombra Risposta costruttiva Volumi compatti e addossati Pareti e coperture massicce Corti interne (patii, cortili, vanelle) Torri del vento Fontane con getti d acqua
Esempi di risposte costruttive tradizionali alle condizioni climatiche Clima caldo umido Caratteri del clima Le temperature sono sempre medio alte, oscillano durante l anno fra i 22 e i 33 C. Stagione delle piogge di durata variabile dai tre ai quattro mesi Tasso di umidità dell aria elevato Strategie di benessere ambientale Difendersi dall umidità Realizzare spazi d ombra Massimizzare la ventilazione interna Difendersi dalle piogge Risposta costruttiva Spazi interni ampi e alti Grandi tetti e schermature solari Pareti perimetrali leggere o assenti Case su palafitte
Esempi di risposte costruttive tradizionali alle condizioni climatiche Clima temperato Caratteri del clima Le temperature medie variano dai 25 C estivi ai 12-15 C invernali Alternanza di periodi caldi e freddi Strategie di benessere ambientale Estate: Minimizzare la captazione solare Favorire la ventilazione interna Inverno: Minimizzare dispersioni termiche Massimizzare la captazione solare Limitare al minimo la ventilazione interna (ricambi d aria) Risposta costruttiva Pareti perimetrali massicce Grandi aperture a Sud / Piccole aperture a Nord Coperture a terrazzo; massicce: a volta; leggere: a tetto con sottotetto ventilato Schermature solari (tende, persiane, pergolati)
La conoscenza dei dati climatici consente di: elaborare le più opportune strategie progettuali e individuare le soluzioni costruttive per il controllo passivo del microclima interno valutare i livelli di aggressività degli agenti atmosferici sulle superfici di involucro
La temperatura dell aria insieme al tasso di umidità e alla ventilazione determina il livello di comfort percepito dall utente. L andamento delle temperature mostra gli sbalzi termici giornalieri e stagionali con particolare riferimento ai periodi critici per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti interni: giorno/notte - estate/inverno Riportando i valori di temperatura e umidità del luogo nel diagramma bioclimatico di Givoni, si apprezzano i livelli di comfort e si individuano quali sono i parametri su cui intervenire per garantire condizioni di benessere termoigrometrico accettabili.
L irradiazione solare totale (MJ/m 2 ) rappresenta la misura dell apporto solare in termini energetici. Tale parametro è importante, ad esempio, in associazione ai dati sullo stato del cielo, per il dimensionamento dei sistemi solari fotovoltaici. Questo dato è tabellato dall UNI come irradiazione solare sul piano orizzontale e verticale per i diversi orientamenti. Radiazione globale annuale su superficie orizzontale in Italia
Lo stato del cielo è tra i fattori meteorologici che influenzano la temperatura dell aria e la quantità di energia solare che arriva al suolo. Uno stato del cielo sereno produce forti escursioni termiche nel corso della giornata, favorendo il passaggio di una grande quantità di radiazione solare durante il giorno e il fenomeno del reirraggiamento durante la notte. La conoscenza della frequenza annuale di giorni sereni (rispetto a quelli misti o coperti) può indicare la maggiore o minore predisposizione di un sito allo sfruttamento dell energia solare, in riferimento ai prevedibili rendimenti stagionali. Condizione mensile del cielo
Il regime dei venti (frequenza in giorni e velocità in metri al secondo, chilometri all ora o nodi) può consigliare la necessità di difendersi o la possibilità di utilizzo degli stessi per il raffrescamento e la ventilazione naturale degli ambienti confinati. Si dice vento prevalente quello che soffia con maggiore frequenza in un determinato luogo Frequenza stagionale dei venti rilevata alla stazione meteo di Napoli Capodichino, (periodo 1984/1989) Si dice vento dominante quello che soffia con maggiore intensità in un determinato luogo La relazione tra il tessuto edificato e il vento può variare a seconda della conformazione degli edifici e della loro distribuzione sul territorio. Il vento di «bora» a Trieste Determinazione grafica dell ombra di vento
La conduzione è il trasferimento di calore/energia attraverso un solido senza che ci sia trasferimento di materia. La convezione è il trasferimento di calore/energia attraverso un fluido associato al trasferimento di materia. L'irraggiamento è il trasferimento di calore/energia che avviene anche in assenza di materia, tra corpi distanti. Conduzione Convezione Irraggiamento
Il comportamento energetico dell edificio
EDIFICIO E AMBIENTE SECONDO I PRINCIPI DELL ARCHITETTURA BIOCLIMATICA L EDIFICIO DEVE ESSERE IN GRADO DI CONTROLLARE LE CONDIZIONI AMBIENTALI IN VIRTÙ DELLE SUE CARATTERISTICHE MORFOLOGICHE, DISTRIBUTIVE, DIMENSIONALI E TERMOFISICHE.
LA FORMA DELL EDIFICIO E GLI SCAMBI TERMICI CON L AMBIENTE ESTERNO IL RAPPORTO TRA SUPERFICIE DI INVOLUCRO E VOLUME (S/V) INFLUENZA GLI SCAMBI TERMICI LE FORME COMPATTE MINIMIZZANO GLI SCAMBI ENERGETICI CON L ESTERNO (LA DISPERSIONE NEI CLIMI FREDDI E LA CAPTAZIONE SOLARE NEI CLIMI CALDI SECCHI) LE FORME DISTRIBUITE SUL TERRENO FAVORISCONO GLI SCAMBI TERMICI E LA VENTILAZIONE NATURALE NEI CLIMI CALDO UMIDI LA FORMA DELL EDIFICIO CAMBIA L EFFETTO DEI FLUSSI ENERGETICI LO STESSO VOLUME SISTEMATO IN VERTICALE (TIPOLOGIA A TORRE) AVRÀ UN GUADAGNO TERMICO MAGGIORE IN INVERNO SISTEMATO IN ORIZZONTALE (TIPOLOGIA IN LINEA) AVRÀ UN GUADAGNO TERMICO MAGGIORE IN ESTATE
IL COMPORTAMENTO ENERGETICO DELL EDIFICIO È INFLUENZATO DA: 1. Isolamento termico dell involucro 2. Capacità termica dei materiali 3. Trasparenza dell involucro 4. Permeabilità all aria dell involucro 5. Addossamento degli edifici 6. Interramento dell edificio
L isolamento termico dell edificio evita la dispersione del calore interno verso l esterno Può realizzarsi in diversi modi: Cappotto esterno Lo strato isolante protegge la parete dalle escursioni termiche e rende la massa muraria più calda in inverno e più fresca in estate. Minimizza la possibilità della formazione di condensa all interno della parete di involucro. Il cappotto esterno può a sua volta essere protetto da una parete ventilata che ne evita il deterioramento dovuto agli agenti atmosferici e migliora il comportamento dell involucro nel periodo estivo. Cappotto interno E più economico, nella realizzazione, del cappotto esterno e non determina variazioni estetiche delle facciate negli interventi di recupero edilizio. Determina alcuni svantaggi: non protegge la muratura di involucro, diminuisce lo spazio utile interno e può favorire la formazione di condensa all interno della parete. In intercapedine Tra le più diffuse tecniche di realizzazione delle tamponature, c è quella che prevede due strati di mattoni separati da un intercapedine d aria (l aria secca e immobile costituisce di per se un ottimo isolante termico). Si può aumentare la resistenza termica della parete perimetrale, riempiendo l intercapedine con materiale isolante (polistirene, poliuretano, fibra minerale ecc.)
LA CAPACITÀ TERMICA SPECIFICA DI UN MATERIALE È DATA DALLA RELAZIONE: ρ * c * C dove: ρ = densità ; c = calore specifico ; C = salto termico LA CAPACITÀ TERMICA DI UN MATERIALE VARIA QUINDI A SECONDA DEL SUO PESO SPECIFICO E DEL SUO CALORE SPECIFICO POICHÉ IL CALORE SPECIFICO DI MOLTI MATERIALI EDILI HA VALORI SIMILI (circa 800 J/Kg C) LA CAPACITÀ TERMICA DI TALI MATERIALI VARIA IN FUNZIONE DEL LORO PESO SPECIFICO AD ESEMPIO UN CLS. CELLULARE CHE HA UN PESO SPECIFICO DI 600 Kg/mc POSSIEDE UNA CAPACITÀ TERMICA DI 750 KJ/mc C ED UN CLS. PESANTE (2400 Kg/mc) NE HA UNA DI 2900 KJ/mc C - L ACQUA HA UNA GRANDE CAPACITÀ TERMICA (2900 KJ/mc C) NEL PROCESSO DI CLIMATIZZAZIONE NATURALE LA CAPACITA TERMICA DEI MATERIALI FAVORISCE L ACCUMULO DEL CALORE QUANDO L OFFERTA ECCEDE LA DOMANDA (durante il giorno) TALE CALORE VIENE POI RILASCIATO GRADUALMENTE NELLA CONDIZIONE OPPOSTA (durante le ore notturne)
ACCUMULO / SFASAMENTO / SMORZAMENTO TERMICO LA PARTE ASSORBITA DELLA RADIAZIONE SOLARE CHE INVESTE UN MATERIALE SI TRASFORMA IN CALORE E VIENE ACCUMULATA AL SUO INTERNO. QUESTO PROCESSO SI DEFINISCE ACCUMULO DIRETTO. QUANDO UNA PARETE ACCUMULA CALORE PER SCAMBIO CONVETTIVO CON L ARIA O RADIATIVO CON UN ALTRA PARETE IL PROCESSO SI DEFINISCE COME ACCUMULO INDIRETTO MASSA E CAPACITÀ TERMICA DEL MATERIALE INFLUENZANO LO SFASAMENTO TERMICO TRA ESTERNO E INTERNO. LO SFASAMENTO È L ARCO DI TEMPO (ORE) CHE SERVE ALL ONDA TERMICA PER FLUIRE DALL ESTERNO ALL INTERNO ATTRAVERSO UN MATERIALE EDILE. LO SMORZAMENTO TERMICO ESPRIME IL RAPPORTO TRA LA VARIAZIONE MASSIMA DELLA TEMPERATURA ESTERNA E QUELLA DELLA TEMPERATURA INTERNA.
LA TRASPARENZA DELL'INVOLUCRO EDILIZIO COSTITUISCE UN ELEMENTO CRITICO PER IL COMFORT MICROCLIMATICO E IL BILANCIO ENERGETICO DEGLI EDIFICI. LE VETRATURE DEVONO CONSENTIRE LA VISTA SULL ESTERNO E IL PASSAGGIO DELLA RADIAZIONE SOLARE MA DEVONO ANCHE COSTITUIRE UNA BARRIERA TERMICA E ACUSTICA, GARANTIRE LA SICUREZZA DELLE PERSONE E LA MANUTENIBILITÀ. LA VISIONE DELL'ESTERNO E L ILLUMINAZIONE NATURALE SONO IMPORTANTI PER IL BENESSERE VISIVO E L'UMORE DEGLI INDIVIDUI UNA ADEGUATA ILLUMINAZIONE NATURALE FAVORISCE IL RISPARMIO ENERGETICO DIMINUENDO L UTILIZZO DEGLI IMPIANTI DI ILLUMINAZIONE ARTIFICIALE DURANTE LE ORE DIURNE.
CAPTAZIONE DIRETTA LA RADIAZIONE SOLARE CHE INVESTE UN LEMENTO TRASPARENTE È IN PARTE RIFLESSA, IN PARTE ASSORBITA E IN PARTE TRASMESSA. LA PARTE ASSORBITA VIENE SUBITO RIEMESSA DA UNA PARTE E DALL ALTRA DELL ELEMENTO TRASPARENTE SOTTO FORMA DI RADIAZIONE INFRAROSSA. LA RADIAZIONE SOLARE TRASMESSA INSIEME A QUELLA RIEMESSA VERSO L INTERNO COSTITUISCONO LA TRASMISSIONE ENERGETICA TOTALE, CIOÈ IL GUADAGNO SOLARE ENTRANTE L ENTITA DEL GUADAGNO SOLARE DIPENDE DA: 1. ORIENTAMENTO DELLA FACCIATA 2. ANGOLO DI INCIDENZA DELLA RADIAZIONE SULL ELEMENTO TRASPARENTE 3. PROPRIETÀ FISICHE DEL MATERIALE TRASPARENTE
LA PERMEABILITÀ ALL ARIA DI UN EDIFICIO DIPENDE DAL TIPO DI INFISSI ESTERNI E DALLA QUALITÀ COSTRUTTIVA DELL INVOLUCRO. GLI EDIFICI SONO SOGGETTI A INFILTRAZIONI NEI PUNTI DI CONGIUNZIONE TRA ELEMENTI STRUTTURALI E MATERIALI DIVERSI, POSSONO ESSERCI INOLTRE FESSURE, CHE DETERMINANO FLUSSI INCONTROLLATI D ARIA TRA L AMBIENTE INTERNO E L ESTERNO. LA PERMEABILITÀ ALL ARIA DELL INVOLUCRO FA SI CHE L ARIA FREDDA RAFFREDDI LE SUPERFICI, MENTRE L ARIA UMIDA E CALDA INTERNA A CONTATTO CON LE SUPERFICI FREDDE CONDENSA DANDO LUOGO ALLA FORMAZIONE DI MUFFE. BISOGNA PORRE ATTENZIONE AI PUNTI DI CONGIUNZIONE DELLE COMPONENTI. ALTRI PUNTI CRITICI SONO IN CORRISPONDENZA DEL PASSAGGIO DI ELEMENTI IMPIANTISTICI: PRESE ELETTRICHE, INTERRUTTORI O LUCI.
L ADDOSSAMENTO DEGLI EDIFICI (TIPICO DEGLI AGGLOMERATI STORICI) DIMINUISCE LA SUPERFICIE DISPERDENTE D INVOLUCRO. LA MASSA DEGLI EDIFICI ADDOSSATI FAVORISCE LA CONSERVAZIONE DEL CALORE NEGLI AMBIENTI INTERNI
IL TERRENO ACCUMULA IL CALORE ED ATTENUA LE FLUTTUAZIONI DELLA TEMPERATURA ESTERNA MAN MANO CHE SI SCENDE IN PROFONDITÀ. GIÀ NEI PRIMI METRI DI PROFONDITÀ, LA TEMPERATURA DEL TERRENO SI AVVICINA AD UN VALORE PROSSIMO ALLA MEDIA ANNUALE DELLA TEMPERATURA DELL ARIA MENTRE SOTTO I 15 M CIRCA LA TEMPERATURA SI MANTIENE SEMPRE COSTANTE. UN EDIFICIO INTERRATO O PARZIALMENTE INTERRATO GODE DEI VANTAGGI OFFERTI DALLA MASSA DI TERRA CHE LO CIRCONDA CHE DIMINUISCE LA DISPERSIONE DEL CALORE VERSO L ESTERNO. LE MASSE DI TERRA TENDONO A MANTENERE COSTANTE LA LORO TEMPERATURA DURANTE TUTTO L ANNO PER TALE RAGIONE FAVORISCONO IL RAFFRESCAMENTO IN ESTATE E IL RISCALDAMENTO IN INVERNO
SISTEMI SOLARI PASSIVI Sono sistemi e tecnologie per captare, accumulare, distribuire e controllare l'energia del sole all'interno degli edifici I sistemi solari passivi raccolgono e trasportano l energia proveniente dal sole senza l ausilio di mezzi meccanici, ma sfruttando i fenomeni fisici naturali di irraggiamento, conduzione e convezione.
COMPONENTI
TIPI DI SISTEMI SOLARI PASSIVI Si distinguono tre tipi di sistemi solari passivi: a guadagno diretto (infissi, lucernari, logge vetrate) a guadagno isolato (serre addossate, camini solari) a guadagno indiretto (muri trombe) Guadagno diretto Guadagno isolato Guadagno indiretto
SISTEMI A GUADAGNO DIRETTO I sistemi a guadagno diretto rappresentano il modo più semplice di concepire un sistema di riscaldamento passivo, possono essere semplici vetrature esposte a sud, lucernari o intere pareti vetrate. La radiazione solare entra direttamente nell ambiente interno attraverso le superfici vetrate e viene assorbita dagli elementi strutturali d accumulo (pareti, pavimenti, soffitti) che rilasceranno il calore successivamente.
SISTEMI A GUADAGNO ISOLATO SERRA ADDOSSATA La serra addossata esposta a sud comprende uno spazio tampone non idoneo per l abitabilità permanente in quanto le fluttuazioni di temperatura al suo interno dipendono direttamente dalle condizioni esterne. Il funzionamento invernale prevede la captazione dell energia solare attraverso il vetro (collettore solare), il suo accumulo nella massa costituita dal muro di separazione con lo spazio abitabile interno. Il calore accumulato viene poi trasferito all interno per irraggiamento e, in certi casi, per convezione. In estate la serra addossata deve essere completamente apribile per evitare fenomeni di surriscaldamento.
L EFFETTO SERRA La radiazione solare trasmessa attraverso il vetro viene assorbita dai corpi posti nell ambiente delimitato dalla superficie trasparente. I corpi, riscaldandosi, riemettono energia sotto forma di radiazione termica (infrarossa di grande lunghezza d onda). Il vetro è trasparente per la radiazione solare ma non per l energia termica (radiazione infrarossa) per tale ragione riflette verso l interno la radiazione calorica che lo colpisce. Tale fenomeno è detto effetto serra ed è alla base della conversione della radiazione solare in calore anche a livello planetario dove il mezzo trasmissivo trasparente è costituito dall atmosfera terrestre nelle sue componenti di vapore acqueo e «gas serra» appunto.
SISTEMI A GUADAGNO INDIRETTO IL MURO «TROMBE» Il Muro Trombe, consta di una parete d accumulo (con la superficie esposta al sole dipinta di colore scuro) alla quale è anteposta, sul lato esterno, a 10 20 cm una superficie vetrata (che per effetto serra scalda l aria dell intercapedine tra il vetro e il muro, aumentando l efficacia del sistema). La parete di accumulo è dotata di aperture, in alto e in basso. L aria calda, che tende a salire, entra in casa passando dai fori superiori, richiamando nell intercapedine l aria fredda dell interno. Per il riscaldamento invernale, di giorno le fenditure restano aperte lasciando circolare l aria come descritto mentre di notte si chiudono e la parete restituisce il calore accumulato durante la giornata. D estate, di giorno si chiudono le aperture e viene aperta la vetrata, mentre nelle ore notturne vengono aperte le fenditure e l aria calda dell interno entra nell intercapedine dall alto, si raffredda e ritorna nell appartamento attraverso i fori in basso. Funz. Invernale < giorno - notte >
RAFFRESCAMENTO PASSIVO EFFETTO CAMINO La ventilazione naturale per effetto camino sfrutta il movimento dell aria determinato dalla diversa densità dell aria tra ambiente esterno ed interno. L aria, in ambiente confinato, è più calda e meno densa di quella esterna, per tale ragione tende a salire, attirando all interno l aria più fredda entrante da aperture poste in basso. L apertura posta alla sommità del camino/cavedio produce un flusso in uscita dell aria calda accumulatasi nella parte superiore del vano, innescando, il movimento convettivo.