La progettazione preliminare dell`edificio 7

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7
La progettazione preliminare
dell’edificio
di Alessandro Rogora
Introduzione
Un edificio può essere considerato alla stregua di un essere vivente; in maniera analoga al corpo umano reagisce agli stimoli termici. L’analisi del comportamento fisiologico dell’uomo offre quindi interessanti spunti per comprendere più a fondo come funzionano (o dovrebbero funzionare) gli edifici.
In termini generali il comportamento umano porta a ridurre le perdite energetiche
verso l’esterno nel periodo freddo, favorendo la captazione di energia dalle fonti
esterne e di quella prodotta dal metabolismo interno. Questi obiettivi si ottengono:
mettendosi al sole, ovvero captando l’energia solare, stringendosi su se stessi, ovvero
riducendo le superfici esposte, utilizzando vestiti pesanti, ovvero aumentando l’isolamento degli elementi d’involucro, muovendosi per riscaldarsi, ovvero incrementando i guadagni interni, respirando attraverso una sciarpa o il bavero della giacca,
ovvero riducendo la quantità di calore dispersa per l’aria di rinnovo ecc.
Nel periodo caldo le istanze sono opposte, si cerca di ridurre le superfici esposte al sole
e comunque di proteggerle dalla radiazione solare diretta, di vestirsi con capi leggeri e
permeabili all’aria per eliminare il calore interno con sistemi di ventilazione e di ridurre
la produzione metabolica.
Per gli edifici gli adattamenti stagionali possibili sono minori e occorre studiare le
soluzioni che permettano di garantire gli obiettivi prestazionali di comfort nelle diverse condizioni ambientali. In questo capitolo vengono descritti gli effetti energetici
dipendenti dalle scelte relative alla forma dell’edificio, quelli che dipendono dalla defi-
La progettazione preliminare dell’edificio
7.1
338
2
1
Est
Nord
3
3
3
3
Ovest
Sud
Figura 7.1 Assonometria di un edificio residenziale realizzato a Vienna – arch. G. Reinberg.
nizione delle tecnologie di involucro e quelli relazionati all’organizzazione degli ambienti confinati cercando, per quanto possibile, di isolare gli uni dagli altri.
Introduzione
Parametri di descrizione della forma
La forma edilizia rappresenta un potente elemento di controllo delle prestazioni energetiche degli edifici.
Forme edilizie specifiche si sono affermate nei diversi contesti climatici; nei climi freddi si ritrovano quindi forme compatte a prescindere dal tipo di materiali e di tecniche
costruttive disponibili, mentre nei climi caldo umidi le forme edilizie sono più allungate e articolate per facilitare il movimento delle masse d’aria. I primi studi sistematici
sulla relazione che lega forma edilizia e clima sono stati compiuti da Victor Olgyay che
nel suo libro “Design with Climate: An Approach to Bioclimatic Regionalism” del1963
ha definito i rapporti ottimali di forma per le quattro principali zone climatiche.
Studi successivi hanno affrontato il problema della forma edilizia cercando di analizzare separatamente i singoli parametri che descrivono la forma secondo il lessico della
progettazione dell’architettura ma rendendone esplicito il comportamento energetico (Knowles, Serra ecc.).
Sono stati individuati sei principali parametri di descrizione della forma dei quali viene
riportata una breve indicazione degli effetti energetici.
339
Figura 7.2 Immagine di un edificio compatto (igloo).
Compattezza
Aspetto che caratterizza la composizione volumetrica dell’edificio e che indica il grado
di concentrazione del suo volume.
A una maggiore compattezza dell’edificio corrisponde una minore superficie d’involucro e una minore possibilità di interscambi energetici con l’esterno.
A un edificio più compatto corrisponde una maggiore stabilità termica e minori possibilità di ventilazione e di illuminazione delle zone interne.
Aspetto che caratterizza l’organizzazione planimetrica dell’edificio; a ogni tipo di forma corrisponde un comportamento energetico specifico.
Lineare: se l’asse maggiore è orientato nella direzione E-O vi è una buona captazione
della radiazione solare in inverno e protezione dalla radiazione solare nel periodo
estativo. Le possibilità di illuminazione e di captazione di energia nei diversi spazi sono
equilibrate.
Centrale: la captazione della radiazione solare risulta diseguale per le differenti zone
dell’edificio, gli ambienti risultano generalmente poco sensibili alle variazioni del clima esterno.
Radiale: combina gli effetti dei due casi precedenti con un comportamento delle singole parti che dipende fortemente dall’orientamento di ogni elemento radiale.
Reticolare: la relazione con l’esterno dipende dall’orientamento e dalla porosità della trama. Gli orientamenti E-O della trama favoriscono generalmente andamenti più
equilibrati.
Aggregato: combinazione di tipi di forme semplici diverse; il comportamento di ognuna delle quali dipende dal tipo di forma parziale e dallo specifico orientamento.
Snellezza
Aspetto che caratterizza lo sviluppo verticale dell’edificio rispetto alla dimensione in
pianta.
A una maggiore snellezza corrisponde una maggiore superficie di contatto con l’esterno e quindi una maggiore possibilità di interscambi energetici. Gli edifici snelli
hanno, di norma, maggiori possibilità di ventilazione e illuminazione naturale, una
maggiore fluttuazione delle condizioni termiche interne sia in estate che in inverno.
La progettazione preliminare dell’edificio
Forma della pianta
340
ulaAmb
o
i
r
o
t
io
Uffic
rio
rato
Labo
Soggiorno
Stanza
giochi
e TV
Sala
attesa
Cucina
Pranzo
Figura 7.3 Centro di ergoterapia a Darfo. La porzione nuova ha una forma planimetrica di tipo lineare in
asse quasi perfettamente E-O mentre l’edificio esistente ha una pianta quadrata centrale.
Introduzione
Forma della sezione
Aspetto che caratterizza la geometria della sezione trasversale dell’edificio. Il tipo di
sezione influisce sulla capacità di ventilazione e captazione della radiazione solare dell’edificio nel seguente modo:
rettangolare: non presenta particolari conseguenze energetiche;
• a T invertita: comportamento energetico diverso tra la parte superiore, in cui ventilazione e captazione solare sono buone, e quella inferiore, in cui ventilazione e captazione solare peggiorano;
• trapezioidale o a gradoni: migliora la captazione e la ventilazione nella zona superiore e li peggiora in quella inferiore.Il comportamento generale è buono in inverno
ma peggiora in estate;
• trapezioidale invertita: migliora la protezione dalla radiazione solare in estate riducendo i guadagni dal fronte sud;
• complessa: presenta comportamenti diversi a seconda del tipo di forma e dell’orientamento specifico di ogni elemento che la compone.
341
Lucernai/estrattori
V.N.
Patio
Ventilazione naturale
Facciata/apribili
Aspetto che caratterizza l’esistenza di cavità interne al volume dell’edificio e comunicanti direttamente con l’esterno (patii, cavedi, gallerie ecc.).
Sono computati come porosità gli spazi cavi (cavedi) con una superficie aperta verso
l’esterno (per esempio la copertura aperta di una galleria o di un cavedio) minore di un
sesto della supglobale che ne racchiude il volume (sup complessiva che definisce il
patio compreso pavimento, muri e copertura).
A una maggiore porosità corrisponde una maggiore superficie di scambio con il microlima del patio e quindi migliori condizioni estive e maggiori possibilità di ventilare
e illuminare gli spazi interni.
Orientamento dei patii
Aspetto che considera la direzione verso cui si aprono i patii; si considerano possibili
gli orientamenti geografici e quello orizzontale.
Patii con aperture diverse da quella orizzontale influenzano il comportamento dell’edificio in maniera specifica a seconda dell’orientamento. In generale i patii aperti verso
Sud, Sud-Est e Sud-Ovest, presentano una temperatura maggiore e una umidità inferiore di quelli orientati verso Nord.
Patii con aperture su lati contrapposti favoriscono i movimenti dell’aria, specialmente
se le aperture sono orientate nella direzione dei venti dominanti.
La progettazione preliminare dell’edificio
Figura 7.4 Schema di funzionamento edificio iGuzzini a Recanati (Arch. Mario Cucinella) con evidenziato
il patio centrale.
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
342
Figura 7.5 Patio in un edificio residenziale a Siviglia.
7.2
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
Efficienza di conservazione (Isolamento)
Di norma il progettista tradizionale accoppia le forme edilizie con prestazioni di varia
natura che non comprendono però, perché considerate secondarie, quelle di tipo
energetico. Per colmare questa lacuna è necessario esplicitare le regole che legano
figure edilizie e comportamento energetico specifico, ovvero ricodificare le relazioni
tra forma e prestazioni energetiche.
Se si schematizzano i volumi costruiti come dei parallelepipedi, si può facilmente dimostrare che il cubo presenta il minor rapporto (S/V) tra superficie a contatto con l’esterno (S) e volume involucrato (V).
Il cubo risulta quindi essere la forma retta ottimale per conservare l’energia, ovvero
per ridurre le dispersioni energetiche in relazione al proprio coefficiente di forma.
Ovviamente il rapporto S/V varia con le dimensioni relative dell’edificio; il cubo ha un
343
S/V = 5
S/V = 2,5
S/V = 6d (5 se non si considera il pavimento), dove (d) è pari alla dimensione del lato e
quindi al variare delle dimensioni il rapporto S/V varia sensibilmente.
Il grado di compattezza di differenti tipologie può quindi essere messo a confronto
solo a parità di volume.
La variazione più cospicua del rapporto S/V si ha tra i 9 e i 21 metri che corrisponde a un
edificio di 3 – 7 piani; un ulteriore incremento delle dimensioni non produce miglioramenti di rilievo. Un analogo ragionamento può essere fatto considerando parallelepipedi diversi dal cubo per i quali esiste un legame tra le dimensioni del lato di base e l’altezza.
In questo caso le variazioni nella capacità di conservazione energetica sono consisenti
con i valori migliori per edifici con rapporti altezza/larghezza pari a 1:4 – 1:6.
Le valutazioni esposte in precedenza valgono in condizioni ambientali isotrope e in
assenza di radiazione solare; aggiungendo alle regole geometriche gli effetti dell’orientamento (pesando quindi il valore relativo di ogni faccia) la compattezza effettiva
cambia significativamente.
In questo caso tutte le forme edilizie con superfici Sud di grandi dimensioni risultano
particolarmente compatte anche con S/V reali elevate. Viene infatti generalmente accettato di considerare quasi nullo il budget input-output attraverso una parete Sud
non schermata.
L’effetto può diventare ancora migliore se si considerano geometrie non ortogonali
nelle quali si abbiano superfici sud di dimensioni maggiorate.
Il rapporto S/V, seppur importante, non è quindi sufficiente per valutare il grado di efficienza di un edificio rispetto agli scambi energetici.
Efficienza di captazione
Se si vuole studiare il problema della captazione di energia raggiante proveniente dal
sole in aggiunta alla valutazione delle dispersioni il problema cambia completamente.
Possiamo definire come efficienza di captazione la capacità di una forma edilizia di raccogliere radiazione solare nei periodi in cui vi è necessità di energia (inverno) e di offrire poca superficie ai raggi solari nel periodo in cui vi è necessità di dissipare calore
(estate). Le due condizioni sono quindi opposte e possono certamente esistere forme
La progettazione preliminare dell’edificio
Figura 7.6 Variazione del rapporto S/V per un cubo al variare delle dimensioni.
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
344
edilizie molto efficienti nel periodo invernale ma che risultano poco efficienti in quello
estivo e viceversa anche se alcune forme particolari potranno presentare valori di
efficienza estiva e invernale elevati.
In condizioni climatiche differenti, o per attività specifiche, si potrà scegliere se privilegiare l’una o l’altra condizione a seconda del clima locale. Un edificio realizzato in una
località alpina potrà quindi preoccuparsi poco dei problemi estivi e considerare quasi
unicamente l’efficienza invernale mentre un edificio nel sud della penisola avrà come
principale obiettivo la riduzione del carico di irraggiamento in estate. Generalmente
nell’area mediterranea, in cui le condizioni di freddo e caldo si presentano entrambe,
occorrerà sempre considerare tutti e due i valori di efficienza e cercare di risolvere congiuntamente i problemi (efficienza solare complessiva).
La forma di un edificio può rispondere alle variazioni naturali in due modi distinti. Innanzitutto, la forma influisce sulla relazione tra superficie esposta e volume contenuto e perciò può, assieme alla dimensione, essere adattata allo stress complessivo. Lo si può constatare confrontando le sezioni trasversali di uno stesso volume in configurazioni diverse.
La forma non influisce sul rapporto S/V come la dimensione, ma è tuttavia un parametro
importante nella progettazione che mira a minimizzare il consumo energetico. In secondo luogo, la forma determina l’effetto delle forze direzionali. Prendiamo per esempio 6
volumi identici sistemati in modo da avere differenti impatti solari stagionali. Messi in
verticale ed esposti a Sud, i volumi avranno un guadagno invernale maggiore di quello
estivo. Il contrario avverrà per lo stesso volume disposto in orizzontale.
Si può facilmente cogliere il significato della forma come modalità adattativa conducendo una semplice analisi di alcuni insediamenti indigeni precolombiani nordamericani (R. Knowles). La forma di questi insediamenti espone selettivamente più superficie a Sud e meno a Nord. L’effetto di questa esposizione direzionale della superficie è
quello di catturare maggiore radiazione solare sul lato Sud e di ridurre le perdite termiche su quello Nord. Un esame più dettagliato di questa configurazione rivela un’interessante correlazione tra la distribuzione delle funzioni nell’edificio e i differenti rapporti S/V calcolati singolarmente per i diversi piani.
Inverno
Estate
Estate
Inverno
Mattino
Mezzogiorno
Pomeriggio
Mattino
Mezzogiorno
Figura 7.7 Irraggiamento estivo e invernale su un edificio diversamente orientato.
Pomeriggio
345
Il piano terra, usato come magazzino per le derrate alimentari, presenta il volume
maggiore ed espone all’esterno la superficie minima in rapporto a quel volume.
Il piano primo veniva usato per dormire e presenta un volume minore ed espone all’esterno una superficie d’involucro relativamente maggiore (S/V maggiore del 50% rispetto a quello del piano terreno). Le temperature interne sono quindi più variabili di
quelle del piano terreno; per dormire questo può essere meno importante che l’essere
distaccati dal terreno e il poter disporre di una maggior quantità di aperture per far
entrare l’aria fresca.
Il secondo piano veniva usato per cucinare e mangiare, ha il volume minore ed espone
la maggior superficie relativa verso l’esterno (S/V è 4 volte quello del piano terra). Le
temperature interne sono ancora più suscettibili alle variazioni esterne ma il fornello
della cucina costituisce una fonte di calore supplementare per i freddi mesi invernali
mentre una buona ventilazione soccorre nel caldo periodo estivo.
L’efficienza della forma (captazione e conservazione) non è quindi un valore assoluto
e deve necessariamente essere riferito alle condizioni locali e alle attività specifiche.
Negli ultimi vent’anni diversi ricercatori hanno cercato di valutare congiuntamente gli
aspetti di conservazione e captazione dell’energia con l’obiettivo di definire un unico
parametro di valutazione dell’efficienza energetica complessiva del costruito senza
troppa fortuna a causa della complessità del problema (Martin and March ecc.).
L’involucro come modulatore dei flussi energetici: parametri generali
Le proprietà fisiche dei materiali che costituiscono la struttura dell’involucro dell’edificio e la giacitura delle diverse superfici, se opportunamente progettate, possono essere usate in risposta alle componenti del sistema ambientale. I materiali costruttivi agiscono selettivamente per smorzare le variazioni sia stagionali che giornaliere della
temperatura. Ciò distingue selettivamente la prestazione termica richiesta ai componenti strutturali verticali e orizzontali.
La progettazione preliminare dell’edificio
Figura 7.8 Variazione del coefficiente di forma S/V ai diversi piani degli edifici di Pueblo Acoma.
346
Estate
Inverno
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
Figura 7.9 Sezione schematica degli edifici di Pueblo Acoma.
Nel caso dei villaggi precolombiani studiati da R. Knowles le pareti portanti verticali
sono in muratura con un alto coefficiente di trasmissione e un’alta capacità di accumulo termico. Il sole invernale basso sull’orizzonte le colpisce più direttamente mentre in estate il sole alto sull’orizzonte colpisce direttamente le superfici orizzontali
composte da legno, cannicciato e foglie ricoperte di argilla; queste terrazze hanno un
basso coefficiente di trasmissione e una scarsa capacità di accumulo termico.
Ne deriva una riduzione dell’oscillazione stagionale della temperatura interna poiché
la radiazione invernale viene accumulata e trasmessa con ritardo all’interno dell’edificio, mentre quella estiva viene mantenuta all’esterno. Esiste anche un sensibile effetto
giornaliero, poiché il calore accumulato nelle pareti durante il giorno viene liberato
nell’edificio la notte, un modo molto efficace per imitare la straordinaria escursione
termica che si verifica nell’altipiano desertico.
Nella maggior parte degli edifici, ancora oggi, i materiali sono organizzati in genere sul
piano dell’involucro. In questo tipo di sistema, i materiali tendono a funzionare come
una specie di filtro. Essi modificano l’ambiente in virtù delle loro proprietà termofisiche, l’aspetto esterno delle facciate risulta quindi piano. Esistono, tuttavia, modi alternativi di impiego dei materiali strutturali di un edificio. Si potrebbe per esempio, organizzarli perpendicolarmente all’involucro. Collocati in questo modo potrebbero ombreggiare, fornire riparo oltre che funzionare da filtro. Anziché piatto l’aspetto superficiale risultante potrebbe essere di tipo texturale o anche spaziale.
Distribuzione delle superfici nei diversi orientamenti
Aspetto che definisce la giacitura che hanno le diverse superfici dell’involucro.A seconda
delle distribuzione delle superfici nei diversi orientamenti una forma equivalente presenta comportamenti molto differenziati. In generale risulta più favorevole ridurre al
347
minimo le superfici Est e Ovest. Questi due orientamenti sono irraggiati principalmente
nel periodo estivo e molto difficili da schermare. Limitatamente al problema invernale
sarebbe opportuno ridurre la pareti orientate a Nord e incrementare quelle Sud mentre
in estate è preferibile avere superfici che affacciano su spazi esterni protetti (patio, portico, galleria ecc.). Le pareti Sud sono relativamente facili da proteggere dalla radiazione
solare estiva.
Interramento dell’involucro
Aspetto che definisce il grado di contatto dell’involucro con il terreno. Maggiori scambi con il terreno portano a condizioni termiche più stabili e umidità interne più elevate. Superfici interrate di grandi dimensioni riducono la possibilità di ventilazione e di
captazione dell’energia solare.
Addossamento
Aspetto che definisce il grado di contatto dell’involucro con altri edifici. Aumentare la
superficie addossata riduce la possibilità di scambi energetici con l’esterno e un maggiore contatto con ambienti che presentano condizioni termiche più stabili rispetto a
quelle esterne. Le possibilità di illuminazione e ventilazione naturale diminuiscono
con l’aumentare del grado di addossamento con altri edifici.
Isolamento
Figura 7.10 Esempio di edificio a elevata trasparenza – Thomas Herzog.
La progettazione preliminare dell’edificio
Aspetto che caratterizza la resistenza al passaggio del calore delle superfici che compongono l’involucro esterno dell’edificio. Un maggiore grado di isolamento riduce gli
348
scambi energetici per trasmissione verso l’esterno, garantisce condizioni interne più
stabili con valori di temperatura interna più elevati in inverno e leggermente inferiori
in estate.
Trasparenza
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
Aspetto che definisce la permeabilità dell’involucro di un edificio alla radiazione solare. Edifici con un elevato grado di trasparenza favoriscono la captazione della radiazione solare ma presentano dispersioni termiche maggiori e risultano più sensibili alle
variazioni climatiche dell’ambiente esterno. I livelli di illuminazione e le temperature
medie all’interno di edifici con un elevato grado di trasparenza sono di norma più
elevate che nel caso di edifici con un grado di trasparenza ridotto.
Un aumento della trasparenza negli orientamenti Sud, Sud-Est e Sud-Ovest favorisce
la captazione energetica in inverno senza troppe penalizzazioni nel periodo estivo; un
aumento della trasparenza negli orientamenti Nord, Nord-Est e Nord-Ovest permette
di aumentare l’illuminazione interna ma produce un abbassamento delle temperature in inverno (gli elementi trasparenti hanno normalmente trasmittanza molto maggiore delle pareti opache) e un innalzamento delle temperature in estate (penetrazione della radiazione diffusa e riduzione della massa termica). Vetrature orizzontali o
negli orientamenti Est e Ovest portano a incrementare significativamente i guadagni
termici con il relativo aumento delle temperature all’interno degli ambienti.
Figura 7.11 Persiana mediterranea e otturatori dell’Institute du Monde Arabe di Parigi (J. Nouvelle).
349
Variabilità della trasparenza (Presenza di Schermature)
Aspetto che definisce la possibilità di variare, volontariamente o in maniera automatica,
la permeabilità dell’involucro alla radiazione solare utilizzando sistemi di protezione degli elementi trasparenti d’involucro (lame, gelosie, tende, ante ecc.). Edifici con sistemi di
protezione che permettono la modulazione della radiazione solare incidente offrono
migliori possibilità di controllo e quindi condizioni interne più stabili e confortevoli.
Permeabilità
Aspetto che definisce la permeabilità dell’involucro di un edificio al passaggio dell’aria. Maggiore è il grado di permeabilità maggiori sono gli scambi energetici con l’ambiente esterno attraverso il ricambio dell’aria ambiente. A una permeabilità maggiore
corrispondono oscillazioni termiche maggiori, una temperatura dell’aria più bassa in
inverno e comunque un andamento delle condizioni termiche maggiormente in fase
con l’andamento delle temperature esterne.
Controllo della permeabilità
Aspetto che definisce i cambiamenti possibili nel grado di permeabilità degli elementi
d’involucro. Un elevato controllo della permeabilità permette assetti intermedi tra le
condizioni di totale apertura e chiusura favorisce il mantenimento delle condizioni di
confort, migliora le condizioni di ventilazione interna e tende a stabilizzare le oscillazioni
termiche interne.
Ermeticità delle aperture
Massa
Aspetto che definisce la capacità di accumulo energetico della struttura e la sua inerzia al passaggio di energia. Maggiore è il peso degli elementi d’involucro minori sono
le oscillazioni termiche interne e maggiore il ritardo con cui vengono trasferiti all’interno i fenomeni ambientali esterni. In presenza di strati di materiale isolante perimetrale si considera come efficace unicamente la massa che si trova tra lo strato di isolamento e lo spazio interno; nel caso di isolamento diffuso (per esempio blocchi isolanti)
si considera convenzionalmente una massa efficace pari al 50% della muratura.
Compartimentazione interna
Il materiale costitutivo dell’edificio può essere organizzato all’interno o all’esterno in
risposta allo stress ambientale. Il modo in cui l’edificio è compartimentato, determina in
La progettazione preliminare dell’edificio
Aspetto che definisce la permeabilità all’aria dei serramenti presenti nell’involucro
quando chiusi. A una ermeticità maggiore corrispondono minori infiltrazioni d’aria
esterna e un minore tasso di ventilazione dei locali. Una maggiore ermeticità delle
aperture permette di raggiungere temperature interne più elevate, una maggiore stabilità in inverno e riduce la ventilazione naturale non volontaria.
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
350
grande misura le sue proprietà di inerzia così come il suo carattere spaziale; spazi più
grandi conferiscono normalmente maggiore stabilità termica,mentre gli spazi più piccoli sono naturalmente più esposti e presentano una maggior variabilità termica interna.
Gli edifici contemporanei appaiono per la maggior parte compartimentati secondo
due modalità contrapposte. Alcuni sono organizzati con piccoli spazi disposti lungo il
perimetro e grandi spazi situati all’interno. La variazione della temperatura è abbastanza sensibile negli spazi piccoli, poiché funzionano in risposta diretta e immediata
alle condizioni esterne. Gli spazi maggiori interni hanno una maggiore inerzia termica;
sono protetti da una “coperta” di spazi minori e conseguentemente ritardano la loro
risposta alle sollecitazioni esterne, rispondendo invece alle variazioni indotte dall’occupazione.
Altri edifici sono organizzati con spazi grandi lungo il perimetro e piccoli internamente. Un diagramma della variazione della temperatura dimostrerebbe che gli spazi maggiori funzionano come risposta diretta ma ritardata alle condizioni esterne a
causa della loro maggiore inerzia termica. Gli spazi minori interni sono riparati dallo
stress esterno ma non sono protetti dal punto di vista dell’occupazione, perché
rispondono troppo velocemente agli aumenti di temperatura dovuti al metabolismo
corporeo e all’impurità dell’aria.
Le caratteristiche degli spazi di dimensioni diverse, in relazione ai loro livelli di occupazione, possono essere usate come risposta adattativa nei vari orientamenti. In edifici
con basso livello di occupazione, gli spazi minori potrebbero trovare collocazione sul
lato Nord, come barriera alle perdite termiche, mentre quelli maggiori potrebbero
essere disposti a Sud, utilizzando così i guadagni solari gratuiti in inverno. Negli edifici
con alto tasso di occupazione, i grandi assembramenti di persone potrebbero essere
organizzati in spazi che si affacciano a Nord per rendere più temperate stanze altrimenti fredde. Questi usi adattativi della forma e dell’occupazione ridurranno il carico
dei sistemi artificiali di riscaldamento e di raffrescamento migliorando significativamente le prestazioni energetiche degli edifici.
Compartimentazione verticale
Aspetto che caratterizza la suddivisione dello spazio interno (nel senso verticale) con
superfici orizzontali di separazione. A una maggiore compartimentazione verticale
corrisponde una minore possibilità di interscambio energetico tra i vari livelli interni e
una minore tendenza dell’aria alla stratificazione termica; il comportamento energetico dei diversi ambienti allo stesso piano sarà differenziato con zone interne meno
illuminate.
Compartimentazione orizzontale
Aspetto che descrive il maggiore o minore grado di compartimentazione dello spazio
interno con superfici verticali. A una maggiore compartimentazione orizzontale corrispondono minori possibilità di interscambio energetico tra le differenti zone. Il com-
351
portamento energetico interno risulterà più differenziato con delle zone interne con
bassi livelli di illuminamento naturale.
Connessioni verticali
Aspetto che caratterizza la possibilità di interscambio energetico tra ambienti posti a
livelli differenti. Maggiore è il grado di connessione verticale, maggiore è lo scambio
energetico dovuto a flussi convettivi che si producono all’interno. Maggiore è il grado
di connessione verticale, maggiore è la stratificazione termica e quindi la disuniformità delle condizioni termiche interne mentre crescono le possibilità di ventilazione e il
livello di illuminazione nelle zone interne. La possibilità di variare volontariamente il
grado di connessione verticale tra gli ambienti interni migliora il controllo delle condizioni termiche specialmente nel periodo estivo.
Connessioni orizzontali
Aspetto che caratterizza la possibilità di interscambio energetico tra ambienti contigui posti al medesimo livello. Maggiore è il grado di connessione orizzontale (in pianta), maggiori sono le possibilità di scambio energetico e il movimento di masse d’aria
mentre le condizioni termiche interne e la distribuzione della luce naturale risultano
più uniformi. La possibilità di variare volontariamente il grado di connessione orizzontale tra gli ambienti interni migliora il controllo delle condizioni termiche sia nel periodo estivo che in quello invernale.
Aspetto che descrive la capacità degli ambienti confinati di accumulare energia termica. A un maggiore peso degli elementi interni corrisponde una maggiore inerzia termica, una maggiore possibilità di accumulo energetico e quindi un comportamento
termico più stabile. La presenza di materiali speciali per l’accumulo (acqua, sali a cambiamento di fase ecc.) aumenta gli effetti descritti in maniera molto più che lineare
rispetto al peso (l’effetto è circa 5 volte maggiore che nel caso di elementi edilizi).
Colore delle superfici interne
Aspetto che descrive l’assorbimento di energia radiante a onda corta (luce) delle superfici interne. Colori scuri favoriscono l’assorbimento della radiazione e quindi una
minore riflessione e diffusione della luce con un conseguente peggioramento nella
ripartizione della luce all’interno degli ambienti.
Indicazioni per il predimensionamento delle superfici opache e trasparenti
Di seguito vengono inserite alcune indicazioni di larga massima per permettere al
progettista un primo, rapido dimensionamento (approssimativo e da verificare appena possibile) degli elementi opachi e trasparenti. Questo permettere anche di operare
La progettazione preliminare dell’edificio
Peso degli elementi interni
352
le prime analisi del comportamento energetico di un edificio partendo da dati iniziali
non del tutto casuali.
L’approccio del dimensionamento a spanne, usando tabelle o nomogrammi, è poco
utilizzato in Italia mentre è tipico della cultura anglosassone.
Sono stati individuati 4 ambiti di predimensionamento relativi a:
• aperture per illuminazione (pareti Nord, Est e Ovest);
• aperture per solarizzazione diretta;
• sistemi per solarizzazione semidiretta;
• sistemi per solarizzazione indiretta.
Aperture per l’illuminazione (pareti Nord, Est e Ovest)
Il predimensionamento delle aperture per l’illuminazione richiede di indicare le dimensioni della stanza da illuminare e la giacitura della finestra.
Nel caso di ambienti residenziali la formula semplificata per definire la superficie netta
di vetro (Af ) verticale è pari a:
Af = (Stot*0,028)
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
dove:
Stot è la superficie globale della stanza
Una stanza di 3 x 4 metri e di altezza 3 metri avrà quindi una Stot pari a 66 m2 che significa una Af di 66 x 0,028 = 1,84 m2.
Questo valore è relativo alla sola porzione trasparente del serramento, mentre per
ottenere la dimensione complessiva della finestra occorre aggiungere la superficie
dell’infisso. In finestre di dimensioni classiche la parte opaca ammonta a circa il 20%
della superficie totale.
Aperture per la solarizzazione diretta
Il predimensionamento delle aperture per la solarizzazione diretta utilizza le tabelle
originariamente messe a punto da E. Mazria, completate e adattate per i nostri climi da
G. Silvestrini [Architettura Solare]. Queste tabelle permettono di dare una prima indicazione di quale deve essere l’ampiezza delle superfici vetrate da utilizzare per garantire condizioni di comfort termico in un ambiente situato in una determinata località
definita in termini di: temperatura media del mese più freddo e latitudine.
2
Nel caso di un edificio situato a Milano (45º N), una stanza di 12 m dovrà avere indica2
tivamente una superficie trasparente verso Sud pari a 2,7 m , circa il doppio di quanto
normalmente richiesto dai regolamenti di Igiene.
353
Tabella 7.1 Rapporto (percentuale) tra la superficie della finestra e il pavimento in funzione della latitudine e delle temperature medie del mese più freddo.
Temperatura
esterna
Latitudine 36º
Latitudine
40º
Latitudine
44º
-7
24
25
29
31 **
-4
22
23
25
28 **
-1
19
20
22
24
+2
16
17
19
21
+5
13
14
16
17
+7
10
11
12
13
+6
11 *
12 *
+8
9*
10 *
+ 10
7*
8*
+ 12
6*
7*
** con isolamento notturno della vetrata
Latitudine
48º
* con vetro singolo
Temperatura esterna
Minima
Massima
-7
70
150
-4
60
130
-1
50
110
+2
40
90
+5
30
70
+7
25
55
La progettazione preliminare dell’edificio
Tabella 7.2 Rapporto percentuale tra la superficie Sud della serra e la superficie di pavimento dello spazio solarizzato in funzione della temperatura media del mese più freddo.
354
Tabella 7.3 Rapporto (percentuale) tra la superficie della parete ad accumulo in mattoni e il pavimento
in funzione della latitudine e delle temperature medie del mese più freddo.
Temperatura
esterna
Latitudine 36º
Latitudine 40º
Latitudine 44º
Latitudine 48º
-7
72
75
85
95
-4
59
63
73
84
-1
50
53
60
70
+2
40
43
50
55
+5
32
35
40
44
+7
25
26
30
33
Aperture per la solarizzazione semidiretta
L’involucro edilizio come modulatore dei flussi energetici
Il predimensionamento dei sistemi per la solarizzazione semidiretta (serre, logge), si
presenta molto complesso in quanto gli elementi che intervengono nella definizione
del rendimento del sistema sono molteplici e molto intrecciati tra di loro.
In relazione alla temperatura esterna il rapporto percentuale tra la superficie trasparente verso Sud e il pavimento viene indicato nella tabella di seguito riportata:
2
Nel caso di un edificio situato a Milano, una stanza di 12 m , la serra dovrà avere indi2
cativamente una superficie trasparente verso Sud compresa tra 2,4 e 10,8 m . Indicativamente a una latitudine minore (sud Italia) corrispondono superfici trasparenti
più piccole, anche se la forma e la tipologia della serra hanno una influenza significativa.
Aperture per la solarizzazione indiretta
Il predimensionamento dei sistemi di solarizzazione indiretta utilizza le tabelle originariamente messe a punto da E. Mazria, completate e adattate per i nostri climi da G. Silvestrini [Architettura Solare] per quanto riguarda i muri ad accumulo,simulazioni e rilievi in
edifici realizzati per quanto riguarda i sistemi ad aria (sistemi Barra-Costantini).
2
Nel caso di un edificio situato a Milano, una stanza di 12 m dovrà avere indicativamen2
te una superficie captante verso Sud pari a circa 6,1 m .