6_Elem_arch_bioclimatica

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
Caratteri del clima
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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
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Volumi compatti
Pareti massicce
Volume in parte seminterrato
Piccole aperture
Clima freddo
Esempi di risposte costruttive tradizionali alle condizioni climatiche
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
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Minimizzare la captazione solare diurna
Favorire il raffrescamento per ventilazione
Favorire il raffrescamento per evaporazione
Ambienti interni in ombra
Risposta costruttiva
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Volumi compatti e addossati
Pareti e coperture massicce
Corti interne (patii, cortili, vanelle)
Torri del vento
Fontane con getti d’acqua
Clima caldo secco
Esempi di risposte costruttive tradizionali alle condizioni climatiche
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
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Difendersi dall’umidità
Realizzare spazi d’ombra
Massimizzare la ventilazione interna
Difendersi dalle piogge
Risposta costruttiva
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Spazi interni ampi e alti
Grandi tetti e schermature solari
Pareti perimetrali leggere o assenti
Case su palafitte
Clima caldo umido
Esempi di risposte costruttive tradizionali alle condizioni climatiche
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
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•
•
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)
Clima temperato
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/m2) 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.