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
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 m2 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 1997. L’incertezza dell’esperimento non è stata considerata in questo articolo.
12
Fig.
2
–
l’esperimento.
dall’autore.)
Dispositivi
impiegati
per
(Fonte: schema elaborato
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).
Tab. 1 – Nomenclatura dei simboli
impiegati nelle equazioni. (Fonte:
H.F.
DI
e
D.N.
Wang.
Rielaborazione della tabella da
parte dell’autore.)
Il bilancio dell’energia per lo strato di foglie è stato:
xαlqrad – 2hl (Tl - Tα) – qle – qlw – hsfm = 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:
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(1 – x) αwqrad + τl qrad + τlqrad + qlw – hw (Tw - Tα) – qw = 0
[2]
Il bilancio energetico per la parete spoglia è stato:
αwqrad – qbwe – hbw (Tbw – Tα) – qbw = 0
[3]
Il coefficiente di trasferimento del calore per convezione hl nell’equazione [1] è stato
calcolato usando la formula sperimentale:
hl = 9,14 √(v/d)
[4]
Il flusso di calore radiante tra le foglie e la parete, qlw, in equazione [1] è stato calcolato
dall’equazione:
qlw = σ (Tl4 – Tw4) / [(1/εl) + (1/ εw) – 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:
Tik+1 = Fo (Tki-1 + Tki+1) + (1 – 2Fo) Tik
[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:
Tik+1 = 2Fo T2k + (1 – 2Fo) T1k + (2Fo ∆x/λ) qk
[7]
TN+1k+1 = 2Fo (TNk + Bi Tfk) + (1 – 2Fo – 2 Bi Fo) TkN+1
[8]
Nelle equazioni [6] e [8] il numero di Fourier e il numero di Biot sono stati definiti come
segue:
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Fo = (λ∆τ)/(ρc∆x2)
[9]
Bi = (hf ∆x)/λ
[10]
Il coefficiente di trasferimento convettivo del calore sulla superficie interna della muratura
della parete è stato definito in 8,7 W/m2K 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 1996. 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 dell’autore.)
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
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 1996.
(Fonte:
H.F.
DI
e
D.N.
Wang.
Rielaborazione del grafico da parte
dell’autore.)
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 1996.
(Fonte:
H.F.
DI
e
D.N.
Wang.
Rielaborazione
del
grafico
da
parte
dell’autore.)
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 1996. 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/m2, 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 1996. (Fonte: H.F. DI e D.N.
Wang. Rielaborazione del grafico da parte
dell’autore.)
Fig. 8 – Flussi energetici verso la parete
spoglia misurati per diverse ore il giorno 24
luglio 1996. (Fonte: H.F. DI e D.N. Wang.
Rielaborazione
del
grafico
da
parte
dell’autore.)
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/m2 di radiazione solare durante il giorno. La radiazione
solare riflessa dalle foglie di edera è stata di 27,9 W/m2, mentre quella assorbita dalle foglie
è stata circa di 133 W/m2 e quella passante attraverso lo strato di edera si è aggirata intorno
ai 28 W/m2. La parete rivestita ha assorbito circa 20 W/m2 di radiazione solare e 25 W/m2 di
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radiazione ad onda lunga, e ha realizzato 25 W/m2 per convezione, mentre ha lasciato fluire
circa 20 W/m2 dentro la stanza dell’edificio.
Fig. 9 – Flusso
giorno 24 luglio
pareti. (Fonte:
Rielaborazione
dell’autore.)
di calore medio rilevato il
1996 per entrambi i tipi di
H.F. DI e D.N. Wang.
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 1996. 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 1996. (Fonte:
H.F. DI e D.N. Wang. Rielaborazione del
grafico da parte dell’autore.)
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 1996. 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/m2, 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/m2, a differenza di quello dalla parete verde che si è aggirato intorno a 8,16
W/m2. 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/m2K (valore appropriato per la convezione naturale),
mentre quello sulla parete spoglia è stato maggiore e si è aggirato intorno a 33,25 W/m2K,
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
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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.
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