il progetto ecocompatibile

Dipartimento di Architettura e Disegno
Industriale
Università della Campania “Luigi Vanvitelli”
Corso di Laurea Magistrale in Architettura
Laboratorio di Costruzione
dell’Architettura I A
a.a. 2016/17
Prof. Sergio Rinaldi
[email protected]
28_04_2017
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Il progetto ecocompatibile: tecnologie e
strumenti
Gli obiettivi dello sviluppo sostenibile
(basso prelievo, bassa immissione e elevata rigenerazione)
Architettura ecocompatibile
Integrare l'opera nell'ambiente e nella natura, applicando il concetto di
economia inteso non come il minor costo a breve termine, ma come il
sistema che consente di evitare gli sprechi e gli impatti. Per fare questo
occorre una visione olistica e un approccio pluridisciplinare che da’
priorità al bene comune anziché al profitto individuale.
Il riferimento è costituito dalle ipotesi di Herman Daly, padre della teoria
della sostenibilità:
• l'utilizzo delle risorse rinnovabili non deve superare il loro tasso di
rigenerazione;
•l'immissione di sostanze inquinanti (solide, aeree o liquide)
nell'ambiente non deve superare la capacità dell'ambiente stesso di
metabolizzarle;
• l'uso di risorse non rinnovabili (es. i combustibili fossili) deve ridursi
progressivamente fino ad arrestarsi per essere sostituto da risorse di
tipo rinnovabili.
Progetto ecocompatibile
Gli edifici progettati secondo principi eco devono soddisfare i seguenti criteri:
•Non causare spreco di energia, acqua o materiali, dovuto soprattutto alla previsione
di una loro breve vita, o alla inadeguatezza del progetto, o spesso dovuto alla scarsa
attenzione nelle procedure di costruzione e fabbricazione.
•Non danneggiare l’ambiente naturale o consumare inopportunamente le risorse
per la sua costruzione, per il suo uso e per la sua demolizione, incluso il territorio sul
quale insistono.
•Non creare una dipendenza eccessiva dai sistemi che consumano molta energia,
compresi quelli di trasporto che producono inoltre molto inquinamento.
•Non usare materiali che inducono all’uso di risorse scarse o non rinnovabili e che
inoltre possono minacciare l’ambiente stesso.
•Non mettere in pericolo la salute degli occupanti, ed ogni sua parte, attraverso
l’esposizione all’inquinamento e all’uso di materiali tossici.
•Essere adattive e resilienti, ossia in grado di mantenere la propria efficienza di fronte al
cambiamento delle condizioni esterne.
Gli ambiti di approfondimento del progetto ecocompatibile sono:
• il controllo bioclimatico;
• la configurazione e costruzione degli elementi fisici dell’involucro;
• il controllo e la produzione di energia attraverso le fonti rinnovabili;
• l’attenzione al consumo di risorse, prevedendone la riduzione attraverso
un uso consapevole, ma anche attraverso il riciclaggio;
Metodologie e strumenti per il controllo bioclimatico
Il controllo bioclimatico del progetto studia le soluzioni configurative e
prestazionali dell'edificio e delle sue parti che, in relazione con le
caratteristiche climatiche del sito, consentono il raggiungimento del
benessere e del comfort ambientale interno minimizzando l'uso degli
impianti tradizionali di climatizzazione. Il controllo delle condizioni
ambientali indoor e negli spazi esterni connessi all'edificio è affidato alle
sue caratteristiche morfologiche, distributive, dimensionali e termofisiche.
• Il principio su cui si fonda l'approccio bioclimatico al progetto è la riduzione (fino alla
eliminazione) dei sistemi impiantistici per il controllo del comfort igrotermico.
• A tal fine sono individuate strategie configurative che garantiscono il controllo climatico
naturale e una corretta ed equilibrata interazione con l'ambiente.
• L'edificio bioclimatico si adatta alle variazioni climatiche:
• in condizioni invernali - quando fa freddo - disperde quantità minime di calore, capta
energia solare durante le ore diurne per immagazzinarla e usarla quando serve;
• in condizioni estive - quando fa caldo - respinge la radiazione solare e favorisce la
ventilazione dissipativa del calore.
Zone climatiche e relative strategie
ELEMENTI PRINCIPALI PER LA CARATTERIZZAZIONE DI UN
CLIMA
LA PRESSIONE
La pressione atmosferica viene definita come la forza (o peso) che, in un dato
luogo o in una data superficie, viene esercitata dalla colonna d'aria sovrastante. Si
misura in millibar (uguale a 1000 dine per cm2). In meteorologia, si fa uso delle
isobare, che sono linee che congiungono punti della Terra aventi stessa pressione.
LA TEMPERATURA
La temperatura è il calore solare che la Terra immagazzina durante il giorno. La
differenza da luogo a luogo dipende dal diverso riscaldamento della superficie
terrestre con riferimento alla latitudine, all'altitudine e al materiale geologico, alla
minore o alla maggiore vegetazione e alla diversa distribuzione delle terre e delle
acque, alla diversa esposizione al sole e ai venti. Come per la pressione, anche
per la temperatura si ricorre a delle linee che in questo caso vengono denominate
isoterme.
L’ UMIDITA’
Per umidità si intende la misura della quantità di vapore acqueo contenuto in una
data porzione dell'atmosfera. Particolare attenzione si deve fare all'umidità relativa,
che è il rapporto espresso in percentuale fra la quantità di vapore acqueo contenuto
in un dato volume d'aria e la quantità massima che potrebbe esservi contenuta alla
stessa temperatura, quindi il livello di saturazione. Questa è l'umidità registrata
dagli igrometri, gli strumenti per la misurazione dell'umidità.
I FATTORI CHE INFLUENZANO IL CLIMA
LATITUDINE
Indica la distanza di una località dall’equatore.
A parità di stagione, la radiazione solare incontra la superficie terrestre con
diverse inclinazioni a seconda della latitudine e ha perciò un minore potere
calorifico.
Le precipitazioni si presentano piuttosto abbondanti sulla fascia equatoriale
ove si ha la convergenza dei due alisei. Sono invece variamente distribuite
nell'anno nella fascia compresa tra il 30° ed il 60° di latitudine (sia Nord che
Sud). Nelle altre zone terrestri, come quelle comprese tra il 20° ed il 30° di
entrambi gli emisferi o nelle calotte polari, prevale, per solito, un basso regime
pluviometrico.
ALTITUDINE
L'influenza dell'altitudine si manifesta soprattutto con una diminuzione
sensibile della escursione termica diurna, mensile e annua.
MARI E TERRE
La ragione del loro influsso climatico sta nella diversa capacità di riscaldarsi e
di raffreddarsi che hanno le due superfici (le terre emerse e le acque). le
escursioni termiche diurne e annuali sono più ampie sulla terra, specie
nell'interno dei continenti, che non sul mare. I climatologi hanno assunto
l'escursione annua della temperatura come misura che serve per misurare la
"continentalità" di un clima, costituendone l'effetto più notevole (tenendo conto,
però, anche della latitudine).
IL CLIMA IN ITALIA
Regioni litoranea ligure-tirrenica, medio adriatica e ionica
Temperato subtropicale (CS)
Interessa le aree più calde di ristrette fasce costiere dell’Italia
meridionale ed insulare. Media annua > 17°C; media del mese
più freddo > 10°C; 5 mesi con media > 20°C; escursione
annua da 13°C a l7°C.
Temperato caldo (Cs)
Interessa la fascia litoranea tirrenica dalla Liguria alla
Calabria, la fascia meridionale della costa adriatica e la zona
ionica. Media annua da 14.5 a 16.9°C; media del mese più
freddo da 6 a 9.9°C; 4 mesi con media > 20°C; escursione
annua da 15 a 17°C.
Regione sublitoranea interna
Temperato sublitoraneo (Cs)
Interessa le zone collinari del preappennino tosco-umbromarchigiano ed i versanti bassi dell’Appennino meridionale.
Media annua da 10°C a l4.4°C; media del mese più freddo da
4°C a 5.9°C; 3 mesi con media > 20°C; escursione annua da
16°C a 19°C.
I
Dati climatici significativi
Fonte:http:\\ www.ilmeteo.it
Il sole e l’edificio
La radiazione diretta, preponderante rispetto alla diffusa in condizioni di cielo
sereno, tende a ridursi all’aumentare dell’umidità e della nuvolosità presente
nell’aria, fino ad annullarsi in condizioni di cielo completamente coperto.
I diagrammi solari
→ Visto dalla terra, il sole descrive movimenti apparenti, percorrendo archi di cerchio che
delimitano una superficie semisferica, avente per centro il punto di osservazione.
→ Il moto apparente del sole non descrive un’unica traiettoria, ma una famiglia di traiettorie,
continuamente variabili sull’orizzonte a seconda delle stagioni e comprese tra due estremi
definiti dai solstizi.
→ Per poter definire le traiettorie solari occorre conoscere l’azimut e l’altezza del sole.
L’altezza è individuata con l’angolo che
l’asse osservatore-sole forma con
l’orizzonte. L’azimut è l’angolo della
proiezione sul piano dell’orizzonte, della
congiungente terra-sole, con il nord
geografico.
Il sole si sposta su un percorso giornaliero da est verso ovest lungo un arco; questo arco è
più basso in inverno (raggiungendo la minima altezza sull’orizzonte a mezzogiorno del 21
dicembre) e più alto in estate (raggiungendo la massima altezza a mezzogiorno del 21
giugno, momento dell’anno nel quale le ombre sono le più corte in assoluto). I valori di tali
altezze estreme variano al variare della latitudine geografica del luogo e possono essere
calcolate con la seguente relazione:
Solstizio invernale (21 dicembre): A = 90° – L – 23° 47’
Per Aversa A= 90 - 40,58 = 49,42 – 23,47 = 26,01
Solstizio estivo (21 giugno): A = 90° – L + 23° 47’
Per Aversa A= 90 - 40,58 = 49,42 + 23,47 = 72,89
* L = Latitudine geografica
La ricerca dei dati climatici
Orientamento – forma – apporti solari
Orientamento di un edificio
L’orientamento di un edificio indica il punto cardinale verso il quale è rivolta una
facciata di riferimento; nel caso di un edificio a sviluppo lineare indica la posizione
rispetto ai punti cardinali delle due facciate a sviluppo prevalente. Nel corso della
storia dell’architettura sono stati numerosi gli studi sull’orientamento ottimale.
Dal punto di vista bioclimatico appare oggi di maggiore interesse, in generale
per quanto riguarda il clima temperato italiano, l’orientamento dell’asse
principale degli edifici secondo la direzione est-ovest, preoccupandosi di
schermare adeguatamente le componenti trasparenti a sud di modo che la
radiazione solare possa penetrare in inverno ed essere ostacolata in estate per
l’ottimizzazione dei guadagni termici solari.
Forma dell’edificio
La forma dell’edificio deve essere determinata in base alle caratteristiche climatiche del
luogo in cui verrà edificato. Nei climi estremi la forma tende a divenire compatta per una
maggiore difesa dalle condizioni ambientali non favorevoli. Alle nostre latitudini la forma
più indicata è quella a parallelepipedo che consente di controllare la dispersione termica
invernale e gli apporti di calore in estate, permettendo un adeguato sfruttamento della
radiazione solare nei mesi freddi.
E’ preferibile che l’edificio abbia una forma compatta: in questo modo infatti, si ottimizza
il rapporto tra superficie esposta all’esterno e volume interno (S/V) minimizzando le
dispersioni invernali ed il carico termico estivo.
Esposizione delle superfici di involucro alla radiazione solare diretta
O
E
S
Percentuale di radiazione diretta rispetto ad orientamento e inclinazione delle
superfici degli elementi di involucro
Orientamenti preferibili in funzione delle
destinazioni d’uso degli ambienti interni
Strategie per il controllo solare e per l'accesso
solare
Schermature
I dispositivi più semplici sono gli aggetti ed i frangisole. Il difetto
principale degli schermi fissi è che l'entità della schermatura è
determinata dalle stagioni solari, piuttosto che da quelle climatiche e ciò
produce effetti schermanti anche in periodi in cui è richiesto un
riscaldamento passivo. Gli schermi fissi tagliano sempre una parte della
radiazione diffusa e quindi riducono l'illuminazione naturale.
Gli aggetti orizzontali per riparare le finestrature sono fortemente
raccomandati sulle facciate con orientamento sud, sud-est, e sud-ovest,
dove le superfici vetrate devono essere mantenute completamente in
ombra durante le ore centrali della giornata. Le schermature possono
essere strutture semplici e relativamente leggere sia dal punto di vista
strutturale che architettonico, contribuendo ad arricchire visualmente la
facciata. L'effetto sul carico termico e sul comfort (riduzione della
temperatura esterna ed interna delle superficie vetrate) è rilevante,
senza penalizzare il contributo delle vetrate alla componente naturale
dell'illuminazione. Frangisole orizzontali o verticali in: acciaio, alluminio,
legno, cotto o vetro possono contribuire a risolvere in maniera efficace
problemi per i quali in passato era necessario utilizzare tecnologie
pesanti oppure affidarsi a potenti sistemi di condizionamento.
Frangisole
Sistemi a lamelle orizzontali per facciate a Sud
Sistemi a lamelle verticali per facciate a Est - Ovest
Sportelli esterni
Teli avvolgibili
Tende
Sistemi solari passivi
I sistemi solari passivi sono tecnologie applicate al costruito impiegate al fine di
regolare gli scambi termici tra esterno ed interno dell’edificio facendo uso della
radiazione solare come fonte energetica e sfruttando, come elementi captanti e
d’accumulo componenti edilizi sia d’involucro che interni.
Elementi essenziali dei sistemi solari passivi sono:
I COLLETTORI
Sono gli elementi destinati alla captazione solare, prevalentemente collocati
sull’involucro edilizio in parti ben esposte alla radiazione solare, (fronti a sud e
coperture) sono costituiti da superfici trasparenti e da assorbitori costituiti da
superfici opache e scure che, esposte alla radiazione solare che penetra dalla
superficie trasparente, la convertono in calore.
LE MASSE DI ACCUMULO
Destinate ad immagazzinare calore e a ricederlo in assenza di sole, prolungando il
funzionamento dei sistemi solari passivi.
I COMPONENTI DI CONTROLLO
Servono a regolare il funzionamento dei sistemi solari passivi nel ciclo giornaliero
(giorno/notte ) e stagionale
A. Giachetta , A. Magliocco, Progettazione Sostenibile, Carocci ed. , Roma, 2007
COMPONENTI DI
CONTROLLO
frangisole
schermatura fissa
schermatura regolabile
Università Scienze Applicate di Bonn-Rhein-Sieg
arch. Werner + Neubert
MASSA D’ACCUMULO (muro Trombe)
Alla base del funzionamento dei sistemi solari passivi c’è l’effetto serra legato alle
specifiche caratteristiche del vetro. I vetri sono trasparenti alle radiazioni solari
visibili ed infrarosse di piccola lunghezza d’onda (da 0,4 a 2,5 micrometri) ma sono
opachi alle radiazioni di lunghezza d’onda superiore.
La radiazione solare termica viene trasmessa
quasi completamente
investendo
nell’ambiente interno,
le superfici presenti ed
aumentandone la temperatura. Queste a loro
volta ri-emettono energia termica sottoforma
di radiazioni infrarosse di
lunghezza d’onda
superiore ai 3 µm per le quali il vetro risulta
opaco.
I sistemi solari passivi si suddividono in diretti, indiretti ed isolati.
Il sistema diretto presenta ampie vetrate esposte a sud, aperte direttamente
sull’ambiente interno che dispone di sufficienti masse di accumulo termico che
svolgono anche altre funzioni (es. pareti e pavimenti).
L’energia radiante viene riceduta per convezione e irraggiamento.
In assenza di sole, le pareti restituiscono all’ambiente l’energia termica
incorporata, comportandosi come un “volano” che rallenta il processo di
raffreddamento dell’aria dell’ambiente.
Captazione mediante superficie trasparente (Vetrata) per irraggiamento ed effetto
serra.
Accumulo l’energia è trattenuta da materiali ad elevata inerzia termica; divisori
più sottili potranno essere usati come superfici riflettenti (con colorazione chiara)
Distribuzione mediante le superfici di accumulo soprattutto per irraggiamento.
Alcuni difetti:
➢Con questo sistema solo gli ambienti direttamente interessati si giovano
dell'apporto energetico solare, a meno che non vengano messi in diretta
comunicazione con gli altri spazi dell'abitazione;
➢rischi di surriscaldamento estivo degli alloggi, se non si progettano
perfettamente sistemi frangisole;
➢eccessive dispersioni di calore dalle superfici vetrate se non si usano vetri basso
emissivi o isolanti (TIM, con fibre plastiche) o doppi (tripli) con calo dei rendimenti
La serra può essere addossata su tutta o
parte della facciata Sud dell’edificio. Il
calore dato dalla radiazione solare
viene accumulato nel pavimento della
serra e nella parete che la separa dai
locali abitati.
Questa parete è un muro ad accumulo
termico che può avere o meno delle
aperture per la circolazione dell’aria
tra serra ed ambiente.
Se la serra è utilizzata solo per captare
e accumulare calore, la sua
temperatura può raggiungere valori
elevati; se invece è utilizzata come
ambiente, la temperatura deve essere
controllabile mediante aperture o
sistemi di oscuramento.
Serra a guadagno
diretto
Serra a guadagno
indiretto
Funzionamento invernale
Gli schermi oscuranti predisposti lungo le
pareti o al di sotto della copertura se
vetrata, per regolare l’isolamento
termico, restano aperti durante le ore
diurne per consentire l’ingresso della
luce e della radiazione solare.
Di notte, invece, vengono abbassati per
ridurre le dispersioni termiche, mentre le
finestre tra il vano riscaldato e la serra
vengono aperte o chiuse a seconda della
differenza di temperatura tra le due
zone.
Notte
Funzionamento estivo
Gli schermi oscuranti predisposti lungo le
pareti al di sotto della copertura se vetrata,
per regolare l’isolamento termico, restano
chiuse durante le ore diurne per impedire
l’ingresso della luce e della radiazione solare.
Di notte, invece, vengono lasciate aperte per
aumentare le dispersioni termiche, mentre le
finestre tra il vano riscaldato e la serra
vengono aperte o chiuse a seconda della
differenze di temperatura tra le due zone.
Il sistema migliore, per quanto riguarda la
stagione estiva, consiste nel controllare la
termo-circolazione dell’aria mediante la
sistemazione di apposite aperture poste
alla base e alla sommità delle serra.
Nei sistemi a guadagno indiretto, l’accumulatore termico fa parte
dell’involucro che riceve direttamente la radiazione solare per restituirla poi
allo spazio interno sotto forma di energia termica.
Tra essi si annoverano:
➢ muri di Trombe-Michel
➢roof-pond.
muro di trombe
È un sistema solare passivo a
guadagno indiretto avente la
funzione di assorbire la radiazione
solare e trasmetterla all’ambiente
interno.
La superficie di captazione
generalmente è rappresentata da
una superficie vetrata esposta a sud
posta ad una distanza di circa 10 – 20
cm davanti all’accumulatore
termico, costituito da un elemento
murario verticale realizzato in
laterizi, pietre, calcestruzzo, ecc.
Il sistema funziona grazie all’effetto
serra creato all’interno della cavità
prevista tra il sistema vetrato e il
muro.
Funzionamento invernale
I raggi solari lambiscono la superficie vetrata
esposta a sud, riscaldando l’aria all’interno della
cavità tra il sistema vetrato e il muro, il calore così
prodotto viene distribuito all’interno degli spazi
abitati secondo due modalità:
1 attraverso una serie di fessure aperte nella zona
superiore ed inferiore del muro che generano una
circolazione termosifonica determinata dai moti
convettivi dell’aria, che riscaldata dall’effetto
serra sale verso la bocchetta superiore entrando
negli ambienti e uscendone raffreddata dalle
aperture inferiori;
2 il calore fuoriesce per convenzione ed
irraggiamento dalla superficie interna del muro,
grazie all’inerzia termica del muro stesso.
Alcuni schermi esterni mobili predisposti lungo la
superficie vetrata, di notte verranno abbassati per
ridurre le dispersioni termiche.
Funzionamento estivo
Il sistema può funzionare da camino solare per
rinfrescare la superficie esterna dell’elemento murario
e per evitare fenomeni di surriscaldamento dovuti
all’irraggiamento.
Occorrerà però dotare la superficie vetrata di
opportune aperture verso l’esterno, in modo da
favorire una circolazione convettiva dell’aria
nell’intercapedine.
Roof Pond
Il sistema è costituito da una massa termica (acqua – spessori compresi tra 15 e 40
cm) sulla copertura, sorretta da un solaio ad elevata conducibilità termica.
In inverno durante le ore diurne avviene un accumulo di energia nella massa
d’acqua.
Di notte i contenitori di acqua vengono coperti con pannelli isolanti e il calore
ceduto agli ambienti sottostanti attraverso il solaio.
D’estate nel periodo diurno i contenitori sono coperti e l’acqua assorbe il calore
proveniente dall’ambiente sottostante. Di notte i contenitori vengono scoperti e
cedono il calore accumulato all’esterno.
Sistema roof pond ad alette orientabili
Sistema roof pond a pannelli mobili
Roof Pond
principali pregi: applicabilità
indipendentemente dalle
condizioni di esposizione e
orientamento, climatizzazione
invernale ed estiva,
temperature uniformi e sbalzi
termici limitati.
principali difetti: uso esclusivo
agli ultimi piani, resistenze
strutturali delle coperture
elevate.
Studio GAD, Exploded Houseper Bodrum, Turchia