architettura bioclimatica

Corso di laurea specialistica in architettura per la sostenibilità. AA 2003/04
LABORATORIO INTEGRATO 3. PRIMO SEMESTRE DEL SECONDO ANNO
Corso di TECNICA DEL CONTROLLO AMBIENTALE Prof. Antonio Carbonari
INTRODUZIONE ALL’ARCHITETTURA BIOCLIMATICA
L’Architettura bio-climatica.
Secondo una sintetica definizione comunemente accettata sono definite sostenibili le scelte,
riguardanti i modelli di sviluppo, che consentono di soddisfare i bisogni attuali senza
compromettere la soddisfazione dei bisogni futuri.
Pertanto un’architettura sostenibile è quella che tende a minimizzare, nell’arco del suo intero ciclo
di vita, il consumo di risorse non rinnovabili (materiali da costruzione e fonti energetiche) e
l’impatto sull’ecosistema, locale e globale.
Per un’architettura che si prefigge di perseguire le sue finalità rispettando il vincolo della
sostenibilità così intesa sono state coniate negli ultimi decenni varie definizioni, più o meno
suscettibili di implicazioni più estese: architettura sostenibile, bio-architettura, architettura biocompatibile, eco-compatibile, a basso consumo energetico, progettazione energeticamente
consapevole o energeticamente efficiente, più limitativa di tutte è la definizione: architettura solare.
Da circa una quarantina d’anni [V. Olgyay, 1963] con il termine architettura bioclimatica si intende
un’architettura che sfrutta come risorsa le caratteristiche morfologiche ed il clima del luogo,
:impiega prioritariamente i materiali locali e per il proprio funzionamento utilizza le fonti
energetiche rinnovabili locali: radiazione solare, venti, vegetazione, corsi d’acqua. In essa, come si
vedrà dagli esempi, le funzioni di climatizzazione ed illuminazione interna, normalmente svolte
dagli impianti, vengono svolte, almeno in parte, dall’edificio stesso. Questa definizione riprende ed
estende all’aspetto energetico la nozione Wrightiana di architettura organica.
I meccanismi dell’architettura bio-climatica
I meccanismi su cui si basa il funzionamento degli edifici bioclimatici, ai fini della climatizzazione,
sono relativamente semplici, anche se poi il loro controllo può richiedere azioni (movimentazioni
di parti) che seguono logiche complesse e che possono essere attuate mediante dispositivi
automatici sofisticati.
Si possono individuare i seguenti principali effetti o meccanismi fisici:
- guadagno solare, che si verifica su tutte le superfici edilizie opportunamente orientate,
- schermatura della radiazione solare, quando questa non è richiesta,
- riparo dai venti tramite ostacoli fisici, appartenenti o meno all’edificio,
- uso dei venti ai fini del raffrescamento e della deumidificazione,
- effetto serra entro cavità confinate in parte da elementi vetrati,
- effetto camino: tiraggio che si verifica in una cavità quando alcune sue superfici sono calde e
riscaldano convettivamente l’aria interna,
- raffrescamento evaporativo,
- effetto Venturi: ovvero accelerazioni e rallentamenti di una corrente d’aria tramite restringimenti
o dilatazioni dei passaggi, in modo da provocare nel primo caso depressioni con conseguente
aspirazione di aria da altre zone,
- accumulo di energia termica in forma sensibile o latente in opportune strutture (masse),
- coibentazione dell’involucro per limitare dispersioni o guadagni termici indesiderati.
Si approfondirà in un apposito capitolo il funzionamento di questi meccanismi, per ora si può
osservare come ad esempio l’uso della vegetazione può coinvolgerne contemporaneamente più
d’uno: riparo dai venti, schermatura della radiazione solare, umidificazione dell’aria mediante
l’evapotraspirazione attraverso le foglie oltre alla funzione igienica di ossigenare l’aria.
Sui sopraelencati meccanismi si basano dei sistemi di climatizzazione che di norma non richiedono
per il proprio funzionamento la somministrazione di forme di energia diversa da quella rinnovabile
che si intende sfruttare (Sole e vento in genere), se non in minima parte per azioni di controllo. Tali
sistemi di climatizzazione vengono pertanto detti passivi.
In un determinato contesto climatico l’insediamento umano può avvalersi anche di più sistemi
passivi o fenomeni fisici, parleremo allora di strategie bioclimatiche.
Quando si parla di architettura bioclimatica alcuni autori tendono a sottolineare la continuità con
l’architettura del passato in particolare di quella ‘spontanea’ e propongono un ritorno alla tradizione
(corrente architettonica “neo-vernacolare”). Ma va rilevato che, sebbene alcuni sistemi passivi siano
sempre stati presenti nell’architettura del passato, nei tempi più recenti l’attenzione si è spostata
dall’utilizzo dei meccanismi più semplici, quali il guadagno solare diretto, lo sfruttamento
dell’inerzia termica delle masse (smorzamento e ritardo del guadagno termico), schermatura della
radiazione e del vento, verso l’uso di dispositivi più sofisticati basati su nuovi materiali, quali il
vetro e gli isolanti, usati anche in maniera dinamica (schermature mobili e avvolgibili).
L’edificio come sistema
I metodi di analisi dei processi di produzione edilizia sviluppatisi negli ultimi decenni adottano
correntemente un approccio sistemico.
L’edificio viene considerato un sistema : ovvero un insieme di parti interconnesse e finalizzate; il cui
fine è quello di garantire al suo interno le condizioni per lo svolgimento di determinate attività
umane: abitative, lavorative o ricreative.
La prima prestazione dell’edificio che viene in mente è quella che consiste nell’offrire riparo dai
pericoli o semplicemente dal discomfort connesso all’ambiente esterno. Dal punto di vista della
TCA il comfort da garantire è essenzialmente di tipo termico, luminoso ed acustico.
Il sistema-edificio può essere a sua volta scomposto in sub–sistemi sempre finalizzati, la cui
definizione dipende dalla disciplina entro cui si opera, o meglio: dalla finalità dell’analisi.
Dei sub-sistemi possono essere:
- struttura portante,
- elementi di tamponamento esterni e partizioni interne,
- impianti tecnologici,
- elementi di arredo interno.
Dal punto di vista della presente disciplina (TCA) i sub-sistemi di interesse, che coinvolgono sia gli
elementi costruttivi che gli impianti tecnologici, possono essere: quelli di:
- climatizzazione,
- illuminazione,
- dispositivi finalizzati allo svolgimento delle attività insediate (es. impianti tecnologici, cucina
ed elettrodomestici nel caso delle abitazioni).
Si noti come, volendo analizzare l’aspetto acustico, vengono coinvolti tutti i sopra elencati subsistemi.
Se si focalizza l’attenzione sulla climatizzazione, che coinvolge il funzionamento termico
dell’edificio, dei sub-sistemi che è utile considerare possono essere i seguenti:
-
accumulo termico (masse),
involucro (elementi di frontiera esterni),
elementi riguardanti il rapporto con la radiazione Solare (captazione o schermatura),
impianto di climatizzazione,
fonti interne di calore: ogni tipo di apparecchiature e impianti che cedono calore all’ambiente
interno (lampade, cucine , elettrodomestici ed occupanti stessi).
Questi sub-sistemi possono a seconda del tipo di edificio coincidere od essere combinati tra loro in
vario modo. È evidente ad esempio come le masse di accumulo termico possono comprendere sia
gli elementi della struttura portante che quelli di partizione interna, entrambe queste categorie
possono poi coincidere nel caso di un edificio a muratura portante, inoltre, sempre in questo caso, le
masse di accumulo comprendono anche l’involucro.
Ma non è importante approfondire in questa sede la classificazione degli elementi costitutivi
dell’edificio, quanto individuare il ruolo che nelle varie situazioni climatiche possono svolgere le
masse, l’involucro ed i vari dispositivi tecnologici, in rapporto alla radiazione solare ai venti ed a
ogni altra variabile climatica.
Si vedrà poi come, nel caso dei sistemi di climatizzazione passiva, masse, elementi di involucro e
dispositivi vari possono svolgere, anche se non totalmente, il ruolo normalmente affidato
all’impianto di climatizzazione.
Il clima ed il ruolo dei sub-sistemi dell’edificio
Semplificando la classificazione Koppen dei climi e tralasciando i climi polari, può essere
sufficiente in questa sede distinguere i seguenti tipi di clima [V. Olgyay]:
Caldo umido
Caldo secco o arido
Temperato
(umido temperato caldo)
Freddo
(climi boreali o
microtermici)
La temperatura media del mese più freddo è sempre superiore ai 18°,
non c’è stagione fredda, deboli escursioni termiche sia annuale che
giornaliera
L’evaporazione supera le precipitazioni, può essere rilevante
l’escursione termica giornaliera.
Temperatura media del mese più freddo inferiore ai 18° ma superiore ai
–3 C°, sono presenti escursioni termiche sia annuali che giornaliere (più
moderate), vi è grande variabilità di tempo atmosferico e di regime
pluviometrico. Il clima mediterraneo è un tipico esempio di clima
temperato subtropicale con estate asciutta.
Temperatura media del mese più freddo inferiore ai –3 C°, quella del
mese più caldo supera i 10° . l’Inverno è lungo e freddo, l’Estate breve e
calda. Grande escursione termica annuale.
Tab. I – Tipi di Clima.
Si ricorda che quando si parla di clima mediterraneo in riferimento all’intero bacino mediterraneo si
tratta di macroclima, se all’interno di un paese come l’Italia si vogliono distinguere le situazioni
climatiche relative ad esempio a zone montane, pianura padana o fasce costiere allora si parla di
mesoclima.
Si può schematizzare come segue il ruolo dei sub-sistemi precedentemente individuati in ogni tipo
di clima
Guadagno solare
Minimizzare con
schermature, usarlo
per ventilare attraverso
opportuni dispositivi
Caldo umido
Caldo secco o arido
Minimizzare con
schermature e
compattezza
dell’edificio,
usarlo per provocare
ventilarzione naturale,
umidificazione e
raffrescamento
evaporativo
Temperato
(umido temperato caldo)
Massimizzare il
guadagno nel periodo
freddo, minimizzarlo
in quello caldo
Freddo
(climi boreali o
microtermici)
Massimizzare il
guadagno solare
Accumulo termico
Minimizzare l’inerzia
termica, strutture
leggere
Involucro
Riflettere rad. Solare,
essere permeabile alle
correnti d’aria, bassa
trasmittanza, elevato
rapporto S/V, sollevare
eventualmente
l’edificio dal suolo
Elevata inerzia, per
Riflettere rad. Solare,
ritardare e smorzare la essere permeabile alle
trasmissione
correnti d’aria di notte,
all’interno del
ridurre o umidificare la
guadagno termico
ventilazione di giorno,
diurno e realizzare un bassa trasmittanza,
accumulo giornaliero minimo rapporto S/V
del fresco notturno
(forme cubiche o
emisferiche), ridurre le
aperture
Può essere utile un
Perseguire una
elevato accumulo sia
compattezza media
giornaliero che
massimizzando la
stagionale del calore, superficie esposta a
se l’edificio è fruito
Sud (alle nostre
con continuità
latitudini), con forme
planimetriche
allungate in direzione
Est-Ovest
Può essere utile un
Perseguire una
elevato accumulo del compattezza media
calore, se l’edificio è
massimizzando la
fruito con continuità
superficie esposta a
Sud
Tab. II – Tipi di Clima e ruolo dei sub-sistemi dell’edificio
Quanto sopra detto riguardo il rapporto S/V e la massimizzazione o minimizzazione della superficie
esposta alla radiazione solare riguarda sia l’edificio che l’aggregazione di edifici, ovvero il tessuto
urbano.
Schematizziamo a titolo esemplificativo le strategie bioclimatiche attuate negli insediamenti
tradizionali, nella cosiddetta “architettura spontanea”, in alcune situazioni a noi prossime.
Nei climi mediterranei si è sempre fatto uso di:
- murature massicce per ritardare e smorzare la trasmissione all’interno del guadagno termico
diurno e conservare per alcune ore del giorno il fresco notturno ottenuto mediante ventilazione e
radiazione delle superfici esterne verso il cielo,
- coloritura chiara delle superfici edilizie esterne, per limitare il guadagno termico solare,
- compattezza del tessuto edilizio, con piccole corti e strade strette, in modo da limitare il
guadagno solare,
- ombreggiamento con tende e con vegetazione degli spazi urbani,
- raffrescamento evaporativo mediante fontane e spruzzatura di acqua su pareti e tende.
Quasi tutti i sopraelencati meccanismi sono utilizzati anche nei climi aridi, climi nei quali sono stati
sviluppati ulteriori se più sofisticati sistemi di raffreddamento e umidificazione basati sull’inerzia,
l’effetto camino e l’evaporazione dell’acqua.
Nei nostri climi freddi, quali i climi montani l’architettura spontanea offre l’esempio della baita
alpina, che utilizza i seguenti meccanismi:
- una forma dell’involucro che presenta un’ampia facciata a Sud e ridotte pareti nelle altre
direzioni soprattutto verso Nord, sfruttando la pendenza del terreno e prolungando le falde della
copertura, in modo da massimizzare il guadagno solare invernale e la protezione dall’effetto
raffreddante dei venti,
- contenimento delle dispersioni mediante: piccole finestre con scuri anche interni, utilizzo di
locali tampone (fienile nel sottotetto, stalla e deposito al piano terra), accumulo di legna da
ardere a ridosso delle pareti esterne, la debole inclinazione delle falde consente l’accumulo di
neve che costituisce anch’essa uno strato coibente), murature a bassa trasmittanza: in pietre
nella parte bassa ma in legno (tronchi incastrati) nella parte superiore, con intercapedine
riempita di terra e paglia,
- recupero di energia da fonti interne: calore metabolico di occupanti ed animali della stalla (non
isolata dalla zona abitata soprastante), camino centrale, letti a nicchia nelle pareti.
Bilancio di massa e di energia dell’edificio
Ognuna delle funzioni/prestazioni abitative che l’edificio deve svolgere (garantire il comfort
termico, luminoso e lo svolgimento delle particolari attività insediate) è associata a degli scambi di
materia ed energia con l’ambiente esterno ed a operazioni finalizzate a convertire queste risorse
(materia ed energia) in forme utilizzabili o servizi. Sono questi ultimi i cosiddetti “usi finali”
dell’energia e delle altre risorse. Le operazioni di conversione vengono svolte mediante appositi
dispositivi; ad esempio un combustibile viene convertito in energia termica mediante un bruciatore,
le derrate alimentari vengono convertite in cibo in una cucina, l’aria esterna viene trattata in
un’apposita macchina prima di essere immessa all’interno, l’eccessiva radiazione solare viene
attenuata da una tenda per evitare fenomeni di surriscaldamento o abbagliamento.
Questi dispositivi convertitori di risorse possono essere elementi impiantistici o parti dell’edificio e
del suo involucro. Le masse interne ed esterne dell’edificio svolgono ad esempio il loro ruolo nel
sistema di climatizzazione, come le superfici esterne vetrate, che svolgono un ruolo anche nel subsistema riguardante l’illuminazione.
Sempre parlando di sistemi, dal punto di vista termodinamico l’edificio può essere visto come un
sistema (questa volta in senso termodinamico) aperto e non isolato, il cui confine (fatto di involucro
ed elementi impiantistici) è un qualcosa che media tra l’ambiente esterno e l’ambiente interno,
controllando il transito di massa e gli scambi di energia. In quest’ambito l’impianto di
climatizzazione può essere considerato un sistema o un complesso di sistemi termodinamici distinti
dall’edificio. Si può parlare allora di sistema edificio-impianto, che interagisce a sua volta con
l’ambiente esterno e con un sovra-sistema energetico (locale o più vasto), col quale scambia forme
di energia (elettricità, calore da reti di teleriscaldamento) e di materia (combustibili, acqua, fluidi
vettori, rifiuti).
Per analizzare le trasformazioni che avvengono nel sistema edificio-impianto e valutarne
l’efficienza (in primo luogo termodinamica, quindi economica), è necessario partire dalle
prestazioni che l’edificio deve fornire ai suoi utenti, ad esempio il mantenimento del comfort
termico o luminoso, e definire la domanda di risorse, materia ed energia, da esse richiesta.
Sistema energetico nazionale
Sistema energetico locale
Sistema dificio-impianto
impianto
Edificio,
Fig. 1 – Sistemi in gioco.
Si tratta poi di analizzare l’appropriatezza con cui queste risorse vengono convertite in prestazioni
abitative.
Un criterio di per valutare questa appropriatezza è il calcolo del rendimento termodinamico del
secondo ordine o rendimento exergetico del processo, definito come il rapporto tra l’Exergia
ottenuta alla fine del processo e l’Exergia spesa. [A. Cavallini, L. Mattarolo]. Ricordiamo che
l’Exergia è quella grandezza termodinamica che misura l’entità del lavoro termodinamico massimo
ottenibile da una data quantità di energia disponibile, ovvero la quantità di lavoro ottenibile in
condizioni ideali. In questo senso l’Exergia misura la qualità dell’energia.
Come si è visto in termodinamica la trasformabilità del calore in lavoro, l’efficienza con cui ciò
avviene, è legata alla temperatura dell’energia termica disponibile, aumenta con essa.
Se al termine di un processo in cui vengono bruciati dei combustibili otteniamo energia termica a
temperatura poco diversa da quella dell’ambiente, come l’energia termica che viene fornita agli
ambienti confinati ai fini del riscaldamento invernale, è evidente che il rendimento exergetico come
sopra definito è prossimo allo zero. Infatti la trasformabilità in lavoro di una quantità di calore a
temperatura prossima a quella ambientale, ovvero la sua Exergia, è molto bassa, mentre la
trasformabilità in lavoro del calore prodotto dalla combustione (alla temperatura di combustione)
era alta.
Dal punto di vista degli usi finali si può distinguere, in ordine di valore crescente, tra energia
termica:
- a bassa temperatura (sotto gli 80°C), per riscaldamento di acqua sanitaria ed ambienti,
- media temperatura (150-250°C) richiesta da processi produttivi, sterilizzazioni, cottura di cibi,
- ed alta temperatura (sui 2000°C) utilizzabile per produrre lavoro meccanico.
In queste valutazioni l’energia elettrica è assimilata all’energia termica ad alta temperatura in
quanto per la sua produzione, a parte il caso delle celle PV o delle celle a combustibile, è necessario
lavoro meccanico, ottenibile a sua volta (a parte il caso della produzione per via idroelettrica ed
eolica) bruciando combustibili ad alta temperatura. Inoltre l’energia elettrica è trasformabile quasi
integralmente in lavoro meccanico.
È senz’altro non appropriato utilizzare energia termica ad alta temperatura, preziosa in quanto
potenzialmente trasformabile in lavoro, per un compito che richiede energia termica a bassa
temperatura.
Intervenire sugli usi finali significa intervenire sulla domanda prima che sull’offerta di energia.
È intuitivo che la cosa migliore sia operare in fase di progettazione dell’edificio quelle scelte
(orientamento, aperture, coibentazione) che consentono poi di limitare la domanda di energia e
risorse non rinnovabili in fase di gestione, piuttosto che limitarsi sostituire le fonti energetiche
tradizionali con fonti rinnovabili (intervento sull’offerta).
Sovra
sistema
energetico
Sistema
energetico
locale
Sistema
edificio-impianto
Spazio confinato
Prestazioni abitative / usi
finali dell’energia
impianto
Combu
stibili
fossili
Aria
esterna
Acqua
Combusti
bili
fossili
Energia
elettrica
Aria
esterna
Aria
esterna
Climatizzazione
Mantenere i valori dei
parametri di comfort nei
limiti
Energia
meccanica per
movimentazion
e elementi di
involucro
Invernale:
limitare dispersioni
termiche,
fornire energia termica
a bassa temperatura,
umidificare.
Energia
termica a bassa
temperatura
Acqua
Combu
stibili
fossili
Energia
termica a bassa
temperatura
Energia
meccanica
Energia
elettrica
Acqua
Acqua
Prodotti
della
combustione
Acqua
CFC
Estiva
limitare guadagni
termici,
sottrarre energia
termica,
deumidificare.
Flusso
luminoso
Illuminazione di interni
Energia
meccanica
Funzioni che richiedono
l’uso di elettrodomestici e
apparecchiature varie
Calore a
bassa
temperatu
ra
Spostarsi verticalmente
(con ascensore)
Comunicare
(telefono, TV, internet)
Acqua calda
a bassa
temperatura
Energia meccanica (frigo)
Combus
tibili
fossili
Calore a
media temp.
Curare l’igiene della
persona, del vestiario, dei
locali
Nutrirsi,
conservare e cuocere cibi
Fig. 2 – Flussi di materia ed energia attraverso l’edificio
Rifiuti
organici
solidi e
liquidi
Il diagramma a blocchi di figura 2 riporta a titolo di esempio i flussi di materia ed energia, in
ingresso ed in uscita dal sistema edificio-impianto, relativi ad alcuni usi finali nella prassi corrente.
Riferimenti bibliografici.
V. Olgyay. Design with Climate, Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism. Princeton
University Press. Princeton, New Jersey.1963.
M. Bottero, G. Rossi. G. Scudo, G. Silvestrini. Architettura solare tecnologie passive ed analisi
costi – benefici. CLUP. Milano 1984.
AAVV. A Green Vitruvus principles and practice of sustainable architectural design. James &
James. London 1999.
AAVV a cura di S. Los e N. Pulitzer. L’Architettura della Evoluzione: il sistema abitazione
dall’industrializzazione edilizia alle tecnologie alternative. L. Parma. Bologna 1977.
A. Cavallini, L. Mattarolo, Termodinamica Applicata, CLEUP Editore, 1988, Padova.