il progetto ecocompatibile_2 - Architettura

Corso di Studi in
Architettura
Laboratorio di Costruzione
dell’Architettura I A
a.a. 2013/14
Prof. Sergio Rinaldi
[email protected]
15/04/14
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Il progetto ecocompatibile: tecnologie e
strumenti _ 2
IL BENESSERE TERMICO E IGROMETRICO Il comfort termico dipende da:
parametri fisici:
l  temperatura dell’aria,
l  temperatura media radiante,
l  umidità relativa,
l  velocità dell’aria,
l  pressione atmosferica;
parametri esterni:
l  attività svolta che influenza il
metabolismo,
l  abbigliamento;
fattori organici:
l  età,
l  sesso,
l  caratteristiche fisiche individuali;
fattori psicologici e culturali.
IL BENESSERE TERMICO E IGROMETRICO Diagrammi bioclimatici
I metodi di analisi bioclimatica definiscono, per il tipo di attività svolta e
per il relativo abbigliamento adottato, il perimetro della zona di
benessere termico, inteso come il luogo dei fattori climatici ambientali,
entro il quale la sensazione termica è giudicata confortevole da oltre
l’80 % delle persone.
I diagrammi principali sono:
- diagramma bioclimatico di Olgyay;
- diagramma psicrometrico-bioclimatico o di Milne-Givoni.
IL BENESSERE TERMICO E IGROMETRICO Per l'utilizzo del diagramma
l  si riportano i dati climatici della località (temperatura media, minima e massima di ogni
mese, umidità relativa)
l  In relazione alla zona di intervento è possibile individuare le strategie più efficaci per il
controllo del comfort negli ambienti
IL BENESSERE TERMICO E IGROMETRICO IL BENESSERE TERMICO E IGROMETRICO Carta bioclimatica di Givoni in cui si evidenziano le strategie da perseguire
per rientrare nella zona di confort.
(AA VV, Architecture solaire Passive pour la région méditerranéenne).
Controllo clima7co dell’edificio INVOLUCRO EDIFICIO – comportamento termico -­‐ parametri La trasmi>anza (U) esprime gli scambi termici che avvengono a3raverso una parete per conduzione, convenzione e irraggiamento, rappresenta il flusso del calore che a>raversa 1mq di parete, nell’unità di tempo, per una differenza di temperatura pari a 1°C tra l’interno e l’esterno del locale. La conducibilita’ termica o condu9vità termica (normalmente indicata con la le3era greca λ) è il flusso di calore Q (misurato in J/s ovvero W) che a>raversa una superficie unitaria A di spessore unitario d so>oposta ad un gradiente termico ΔT di un grado Kelvin (o Celsius). Dipende dalle cara3erisCche fisico-­‐chimiche del materiale preso in esame, quelli a bassa conducibilità termica sono definiC isolanC (termici). La resistenza termica R è definita come il rapporto tra lo spessore d dello strato considerato e la sua conducibilità termica λ. La resistenza termica di una parete composta da più straC sarà la somma delle resistenze termiche di ciascun strato EDIFICIO – comportamento termico -­‐ parametri L’inerzia termica di una stru3ura consiste nella sua capacità di opporsi al passaggio del flusso di calore e di assorbirne una quota, senza rilasciarlo in maniera immediata e contribuendo al contenimento delle oscillazioni della temperatura interna.
Lo sfasamento (ϕ) è la differenza di tempo che intercorre tra l’ora in cui si ha la massima temperatura all’esterno e l’ora in cui si ha la massima temperatura all’interno, e non deve essere inferiore alle 8/12 ore; L’a>enuazione esprime il rapporto tra la variazione massima della temperatura esterna ΔTe e quella della temperatura interna ΔTi in riferimento alla temperatura media della superficie interna. Il beneficio in termini di comfort nel periodo esCvo è tanto maggiore quanto più elevaC sono i valori di sfasamento e di a3enuazione del flusso termico. Le capacità di sfasamento e di a>enuazione dell’onda termica combinate consentono l’oXmale protezione dalle escursioni termiche sia in estate che in inverno, garantendo così il massimo comfort abita7vo. EDIFICIO -­‐ AMBIENTE Reyner Banham Modello energe7co rigenera7vo E’ un modello che si affida agli impian7 di condizionamento ar7ficiale per ricreare all’interno dell’abitazione le condizioni termo-­‐igrometriche desiderate. Un modello che ha senso e può essere definito eco solo quando le macchine di cui si serve sono alimentate con energia derivata da fonC rinnovabili. E’ ideale a tu3e le laCtudini: si addice a qualsiasi Cpo di clima. Modello bioclima7co avanzato E’ anche de3o ecoefficiente o ambientalmente interaXvo. Questo modello propone una totale armonia tra contesto ed edificio, una simbiosi che consente di o3enere condizioni climaCche interne o9mali. La proge3azione archite3onica infa9, secondo questo modello, sarà fa3a considerando la presenza e l’importanza di elemenC naturali vento, sole e terreno. L’orientamento dell’edificio, la gesCone degli spazi interni, la presenza e la disposizione delle aperture, ogni de3aglio dovrà essere proge3ato tenendo conto dell’influenza dell’ambiente esterno. EDIFICIO -­‐ AMBIENTE Modello energe7co conserva7vo Tale modello si basa sull’impiego di grandi masse murarie con grandi spessori, poche aperture di dimensioni rido>e e volumi compaX. L’intento è quello di aumentare al massimo l’inerzia termica dell’involucro edilizio per evitare che le condizioni termo-­‐
igrometriche ricreate all’interno si disperdano all’esterno. Lo si ado3a per climi estremi, cara3erizzaC da valori eccessivamente alC e bassi delle temperature. L’edificio è inteso come una caverna, dove fa fresco d’estate e caldo d’inverno perché è tu3a chiusa su se stessa, pesante e priva di aperture. Modello energe7co seleXvo Vuole filtrare dall’esterno le condizioni clima7che che si desidera o>enere all’interno. Per questo moCvo si avvale di elemenC tecnologici che lasciano passare la luce del sole per il riscaldamento passivo e l’illuminazione. E’ Cpico dei climi tropicali, cara3erizzaC da alC valori dell’umidità relaCva, venClazione e soleggiamento. EDIFICIO -­‐ AMBIENTE Sistema pesante MASSA Accumulo Sfasamento A>enuazione Sistema leggero Stra7 e materiali isolan7, rifle>en7, assorben7 SISTEMI SOLARI PASSIVI EDIFICIO -­‐ AMBIENTE Con l'espressione energia solare passiva si intende in genere raggruppare
tutte le applicazioni in cui l'energia solare viene utilizzata senza alcun ausilio
motorizzato e in cui la distribuzione del calore prodotto avviene grazie ai
fenomeni naturali della conduzione, della convezione e dell'irraggiamento.
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.
SISTEMI SOLARI PASSIVI
ElemenC essenziali dei sistemi solari passivi sono: I COLLETTORI Sono gli elemenC desCnaC alla captazione solare, prevalentemente collocaC sull’involucro edilizio in parC ben esposte alla radiazione solare, (fronC a sud e coperture) sono cosCtuiC da superfici trasparenC e da assorbitori cosCtuiC da superfici opache e scure che, esposte alla radiazione solare che penetra dalla superficie trasparente, la convertono in calore. LE MASSE DI ACCUMULO DesCnate 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/
no3e ) e stagionale A. Giache3a , A. Magliocco, Proge&azione Sostenibile, Carocci ed. , Roma, 2007 SISTEMI SOLARI PASSIVI - diretti
Collettori trasparenti
SISTEMI SOLARI PASSIVI
COMPONENTI DI
CONTROLLO
frangisole
schermatura fissa
schermatura regolabile
Università Scienze Applicate di Bonn-Rhein-Sieg
arch. Werner + Neubert
MASSA D’ACCUMULO (muro Trombe)
SISTEMI SOLARI PASSIVI - isolamento
Nei sistemi solari passivi riveste una grande importanza l’isolamento termico sia delle par7 murarie che delle par7 vetrate (nelle ore in cui non svolgono funzione di colle3ore), in generale , è preferibile che l’isolamento sia esterno (lato freddo). Esiste tu3avia un approccio fondato sull’iper-­‐isolamento (anche 40cm) spesso abbinato con l’uso di componenC edilizi leggeri (montaggio a secco) che ado3a parCcolari Cpi di strategie d’accumulo (es. a pavimento o con materiali a cambiamento di fase). A. Giache3a , A. Magliocco, Proge&azione Sostenibile, Carocci ed. , Roma, 2007 SISTEMI SOLARI PASSIVI - diretti
I sistemi solari passivi si suddividono in direX, indireX ed isola7. Il sistema dire>o presenta ampie vetrate esposte a sud, aperte dire3amente sull’ambiente interno che dispone di sufficienC masse di accumulo termico che svolgono anche altre funzioni (es. pareC e pavimenC). L’energia radiante viene riceduta per convezione e irraggiamento. In assenza di sole, le pareC resCtuiscono all’ambiente l’energia termica incorporata, comportandosi come un “volano” che rallenta il processo di raffreddamento dell’aria dell’ambiente. SISTEMI SOLARI PASSIVI – effetto serra
Alla base del funzionamento dei sistemi solari passivi c’è l’effe>o serra legato alle specifiche cara3erisCche del vetro. I vetri sono trasparenC 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 nell’ambiente interno, investendo le superfici presenC ed aumentandone la temperatura. Queste a loro volta ri-­‐eme3ono energia termica so3oforma di radiazioni infrarosse di lunghezza d’onda superiore ai 3 μm per le quali il vetro risulta opaco. SISTEMI SOLARI PASSIVI - diretti
Captazione mediante superficie trasparente (Vetrata) per irraggiamento ed effe3o serra. Accumulo l’energia è tra3enuta da materiali ad elevata inerzia termica; divisori più so9li potranno essere usaC come superfici rifle3enC (con colorazione chiara) Distribuzione mediante le superfici di accumulo sopra3u3o per irraggiamento. Alcuni difeX: Ø Con questo sistema solo gli ambienC dire3amente interessaC si giovano dell'apporto energeCco solare, a meno che non vengano messi in dire3a comunicazione con gli altri spazi dell'abitazione; Ø limitazioni d’arredo dovute alla presenza di masse d’accumulo interne agli alloggi; Ø rischi di surriscaldamento esCvo degli alloggi, se non si proge3ano perfe3amente sistemi frangisole; Ø eccessive dispersioni di calore dalle superfici vetrate se non si usano vetri basso emissivi o isolanC (TIM, con fibre plasCche) o doppi (tripli) con calo dei rendimenC SISTEMI SOLARI PASSIVI – diretti – serra solare
La serra può essere addossata su tu3a 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 abitaC. 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 uClizzata solo per captare e accumulare calore, la sua temperatura può raggiungere valori elevaC; se invece è uClizzata come ambiente, la temperatura deve essere controllabile mediante aperture o sistemi di oscuramento. Serra a guadagno
diretto
Serra a guadagno
indiretto
SISTEMI SOLARI PASSIVI – diretti – serra solare
Funzionamento invernale Gli schermi oscuranC predisposC lungo le pareC o al di so3o della copertura se vetrata, per regolare l’isolamento termico, restano aperC durante le ore diurne per consenCre l’ingresso della luce e della radiazione solare. Di no3e, invece, vengono abbassaC per ridurre le dispersioni termiche, mentre le finestre tra il vano riscaldato e al serra vengono aperte o chiuse a seconda della differenze di temperatura tra le due zone. Notte
SISTEMI SOLARI PASSIVI – diretti – serra solare
Funzionamento es7vo Gli schermi oscuranC predisposC lungo le pareC al di so3o 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 no3e, 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 es7va, consiste nel controllare la termo-­‐circolazione dell’aria mediante la sistemazione di apposite aperture poste alla base e alla sommità delle serra. (e)Co - Team Aquitaine Bordeaux Campus
La superficie di 150m2 ha una p e l l e e s t e r n a c h e o ff r e protezione dal ca9vo tempo e risponde all’esigenza di garanCre condizioni di comfort interne, operando come una serra in inverno e come una stru3ura di ombreggiatura in estate. Lo spazio interno è composto da tre moduli indipendenC di legno ognuno di 15 m2. (e)Co - Team Aquitaine Bordeaux Campus
+ + (e)Co - Team Aquitaine Bordeaux Campus
Winter day
(e)Co - Team Aquitaine Bordeaux Campus
(e)Co - Team Aquitaine Bordeaux Campus
(e)Co - Team Aquitaine Bordeaux Campus
SISTEMI SOLARI PASSIVI - indiretti
Nei sistemi a guadagno indire>o, l’accumulatore termico fa parte dell’involucro che riceve dire3amente la radiazione solare per resCtuirla poi allo spazio interno so3o forma di energia termica. Tra essi si annoverano: Ø  muri di Trombe-­‐Michel Ø roof-­‐pond. SISTEMI SOLARI PASSIVI – indiretti - muro di trombe
È un sistema solare passivo a guadagno indire3o avente la funzione di assorbire la radiazione solare e trasme3erla 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 davanC all’accumulatore termico, cosCtuito da un elemento murario verCcale realizzato in laterizi, pietre, calcestruzzo, ecc. Il sistema funziona grazie all’effe3o serra creato all’interno della cavità prevista tra il sistema vetrato e il muro. SISTEMI SOLARI PASSIVI – indiretti - muro di trombe
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 prodo3o viene distribuito all’interno degli spazi abitaC secondo due modalità: 1 a3raverso una serie di fessure aperte nella zona superiore ed inferiore del muro che generano una circolazione termosifonica determinata dai moC conve9vi dell’aria, che riscaldata dall’effe3o serra sale verso la bocche3a superiore entrando negli ambienC 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 predisposC lungo la superficie vetrata, di no3e verranno abbassaC per ridurre le dispersioni termiche. SISTEMI SOLARI PASSIVI – indiretti - muro di trombe
Funzionamento es7vo Il sistema può funzionare da camino solare per rinfrescare la superficie esterna dell’elemento murario e per evitare fenomeni di surriscaldamento dovuC all’irraggiamento. Occorrerà però dotare la superficie vetrata di opportune aperture verso l’esterno, in modo da favorire una circolazione conve9va dell’aria nell’intercapedine. SISTEMI SOLARI PASSIVI – indiretti - sistemi di accumulo
Il muro d'acqua è lo stesso sistema del muro massivo e
Trombe con la sola differenza che l'acqua sostituisce la
parete solida Poiché l'acqua ha una capacità termica
superiore a quella dei mattoni e del cemento e inoltre le
correnti convettive al suo interno la rendono un accumulo
termico quasi isotermo, il sistema può lavorare con
un'efficienza maggiore rispetto al muro massivo o Trombe.
SISTEMI SOLARI PASSIVI – indiretti - roof pond
Roof Pond Il sistema è cosCtuito da una massa termica (acqua – spessori compresi tra 15 e 40 cm) sulla copertura, sorre3a da un solaio ad elevata conducibilità termica. In inverno durante le ore diurne avviene un accumulo di energia nella massa d’acqua. Di no3e i contenitori di acqua vengono coperC con pannelli isolanC e il calore ceduto agli ambienC so3ostanC a3raverso il solaio. D’estate nel periodo diurno i contenitori sono coperC e l’acqua assorbe il calore proveniente dall’ambiente so3ostante. Di no3e i contenitori vengono scoperC e cedono il calore accumulato all’esterno. Sistema roof pond ad ale3e orientabili Sistema roof pond a pannelli mobili SISTEMI SOLARI PASSIVI – indiretti - roof pond
Roof Pond principali pregi: applicabilità indipendentemente dalle condizioni di esposizione e orientamento e dalla tramezzatura interna, climaCzzazione invernale ed esCva, temperature uniformi e sbalzi termici limitaC. principali dife9: uso esclusivo agli ulCmi piani, resistenze stru3urali delle coperture elevate. Studio GAD, Exploded Houseper Bodrum, Turchia
Ven7lazione e raffrescamento passivo REGIME DEI VENTI Il vento è un movimento d’aria causato dalla presenza di un gradiente di pressione
nell’atmosfera: tanto è maggiore la differenza di pressione tanto più veloce è lo
spostamento delle masse d’aria.
Le differenze di pressione possono essere provocate dall’ineguale riscaldamento della
superficie terrestre ad opera della radiazione solare.
Come ogni grandezza vettoriale, il vento è caratterizzato da una direzione, che indica il
luogo da cui proviene, e da una intensità, che esprime la velocità con cui questo
fenomeno avviene. Il movimento d’aria che provoca il vento ha prevalente componente
orizzontale.
La velocità si rileva con gli anemometri in m/sec, km/h o nodi interi –un nodo equivale a
1852 m/h.
La rilevazione della direzione di
provenienza avviene con gli
anemoscopi e viene ricondotta
alle otto direzioni principali della
rosa dei venti (N, NE, E, SE, SO,
O, NO).
Oltre al gradiente di pressione,
sulla forza e sulla direzione del
vento agiscono la rotazione della
terra e l’attrito con la superficie
terrestre.
REGIME DEI VENTI Ventilazione ad opera del vento
Una casa posta in una corrente d’aria, accumula l’aria in moto sul lato sopravento,
determinando un area di pressione relativamente alta.
Il flusso che avvolge l’edificio crea delle zone di bassa pressione sui lati adiacenti a quello
sopravento. Sul lato sottovento, si produce un ombra di vento con una pressione
relativamente bassa. Quest’ombra di vento verrà gradualmente riempita dall’aria
circostante, sicché alla distanza di circa due volte e mezza l’altezza dell’edificio l’aria
è in quiete; da questo punto l’aria affluisce, con moto retrogrado, sia verso l’edificio che
nel senso del vento allontanandosi da esso; il vento riacquista la sua velocità iniziale a
una distanza pari a sette volte l’altezza dell’edificio.
Questi andamenti dei flussi d’aria che si formano attorno alla casa sono determinati dalla
geometria dell’edificio e sono indipendenti dalla velocità dell’aria
REGIME DEI VENTI Ventilazione ad opera del vento
La differenza di pressione fra i lati sopravento e sottovento possono contribuire a creare
una corrente d’aria all’interno dell’edificio. La collocazione delle aperture è più efficace
quando l’apertura di entrata è rivolta verso un area di alta pressione e quella di uscita
verso una di bassa pressione
REGIME DEI VENTI Ventilazione ad opera del vento
L’andamento dei flussi interni è
funzione delle aperture ed è
largamente indipendente dalle altre
caratteristiche geometriche di una
stanza. Un flusso rettilineo assicura il
movimento d’aria più veloce, mentre
ogni cambiamento di direzione ne
rallenta la velocità. Ogni improvviso
mutamento di corso, causato da
mobili, arredi o divisori, riduce
notevolmente la velocità dell’aria. I
divisori interni dovrebbero essere
disposti tenendo conto
dell’andamento dei flussi
REGIME DEI VENTI REGIME DEI VENTI Direzione del vento e disposizione delle abitazioni
Gli edifici disposti perpendicolarmente alla direzione del vento ricevono sul lato esposto il
pieno impatto del vento. Se invece essi sono disposti a 45°, la velocità del vento si riduce
del 50%. Le file di edifici posti tra di loro a una distanza pari a sette volte le rispettive
altezze assicurano un soddisfacente effetto di ventilazione per ciascun edificio. Una
disposizione ad unità alternate sfrutta l’andamento rimbalzante del vento
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Benedetti Cristina. Manuale di Architettura Bioclimatica. Rimini, Maggioli editore, 1994.
A. Giachetta , A. Magliocco, Progettazione Sostenibile, Carocci ed., Roma, 2007.