sistemi di raffrescamento passivo

Sistemi per il raffrescamento passivo
L'importanza dei sistemi di raffrescamento passivo
è dovuta alla rapida crescita del fabbisogno di
raffreddamento degli edifici e dalle problematiche
ambientali, economiche, di salute legate agli
elevati consumi elettrici ad esse connesse.
Le strategie che consentono di controllare il
surriscaldamento
degli
edifici
si
possono
sintetizzare in:
- proteggre
l’edificio
dall'irraggiamento
solare;
- controllare l’inerzia termica dei componenti
dell’involucro, questa assume un ruolo
regolatore attenuando e ritardando le
variazioni della temperatura esterna, diminuendo la temperatura media radiantee
fornendo migliori condizioni di comfort;
- adottare sistemi naturali di raffreddamento per la ventilazione. La ventilazione naturale
agisce sul benessere influenzando il bilancio termico dell’edificio e consentendo di
incrementare gli scambi convettivi tra uomo ed ambiente. La ventilazione naturale dà
luogo a raffreddamento tramite le correnti d'aria generate da fenomeni naturali come
l'azione del vento e l'effetto camino.
Sistemi per il raffrescamento passivo
Ventilazione naturale e ibrida
La ventilazione rappresenta un aspetto fondamentale nel progetto di un edificio. Mentre in
passato la ventilazione veniva prevalentemente considerata in relazione al solo controllo della
qualità dell’aria interna, recentemente si è manifestato un crescente interesse nell’uso della
ventilazione quale strategia per garantire anche il comfort ambientale nel periodo estivo e nelle
stagioni intermedie, limitando il ricorso ai sistemi di refrigerazione in un’ottica di risparmio
energetico. L’incidenza della ventilazione (invernale ed estiva) sul fabbisogno energetico
annuale di un edificio tende a divenire predominante, anche grazie all’adozione, in edifici di
nuova costruzione, di livelli di isolamento termico dell’involucro più elevati, inoltre si osserva
una costante crescita della domanda di climatizzazione estiva, sia negli edifici residenziali sia
nel settore terziario; inoltre la produzione di energia frigorifera necessaria per la
climatizzazione estiva si basa generalmente su macchine azionate elettricamente, per cui la
climatizzazione estiva si traduce in un consumo di energia primaria particolarmente costosa.
La ventilazione degli ambienti assolve pertanto due compiti:
- garantire la qualità dell’aria degli ambienti indoor;
- garantire il controllo del comfort riferito anche all’eventuale presenza di correnti d’aria;
Mentre un impianto di climatizzazione di tipo meccanico, purché correttamente dimensionato e
gestito, è in grado di garantire il controllo delle condizioni ambientali in qualunque condizione,
nel caso dei sistemi di ventilazione naturale è necessario accettare delle fluttuazioni più ampie.
Un ulteriore aspetto del problema è la necessità di un’integrazione spinta fra progetto del
sistema di ventilazione e progetto architettonico, sia dal punto di vista della distribuzione e
dimensionamento degli spazi interni, sia dal punto di vista del disegno degli elementi di
involucro.
Normalmente i sistemi di ventilazione vengono classificati in relazione ai sistemi con i quali
sono controllati i flussi d’aria all’interno dell’edificio:
- ventilazione naturale: in questo caso i gradienti di pressione necessari per realizzare
l’immissione di aria fresca esterna e l’estrazione di aria interna viziata sono generati
esclusivamente da azioni naturali, ovvero dall’effetto dinamico del vento e dai gradienti
di densità dell’aria dovuti alle differenze di temperatura interno-esterno. La ventilazione
naturale può essere realizzata attraverso l’apertura volontaria dei serramenti,
oppure ancora può essere almeno parzialmente controllata tramite l’adozione di specifici
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accorgimenti quali l’introduzione nell’involucro esterno di bocchette di adduzione
dell’aria e l’adozione di dispositivi di estrazione naturale (aeratori, camini,
ecc.)
- ventilazione meccanica: è la soluzione impiantistica che consente il movimento dell’aria
all’interno dell’edificio attraverso ventilatori ed utilizza una parziale canalizzazione dei
percorsi d’aria. In relazione alla funzione volta dall’impianto la ventilazione meccanica si
classifica in:
- ventilazione per estrazione in cui l’impianto di estrazione aspira l’aria dai locali da
mantenere in depressione come i bagni e le cucine, e l’aria esterna, non trattata
viene immessa direttamente in ambiente;
- ventilazione per immissione in cui l’aria esterna trattata viene immessa all’interno
degli ambienti da un ventilatore di mandata mentre l’esplulsione avviene per
diffrenza di pressione;
- ventilazione bilanciata in cui l’impianto garantisce sia l’immissione sia l’estrazione
dell’aria non creando differenza di pressione tra interno ed esterno;
- ventilazione ibrida, ovvero una soluzione intermedia tra la ventilazione naturale e quella
assistita da un impianto meccanico; questo entra, infatti, in funzione soltanto quando le
condizioni climatiche non sono idonee a garantire portate d’aria adeguate.
Mentre i sistemi di ventilazione puramente meccanica presentano un limitato livello di
interferenza con l’edificio, essendo in genere sufficiente garantire spazi tecnici adeguati per il
passaggio delle condotte dell’aria e per l’installazione delle unità di trattamento, nel caso della
ventilazione naturale e ibrida il progetto deve per definizione integrare l’aspetto architettonico
e quello impiantistico: infatti, il movimento dell’aria avviene in larga misura attraverso parti
dell’edificio o elementi architettonici specifici quali atrii, cavedi, camini, ecc.
I principali sistemi di ventilazione naturale e di raffrescamento ventilativo sono:
- ventilazione passante (orizzontale o verticale)
- ventilazione a lato singolo (singola apertura o apertura multipla)
- ventilazione combinata vento - effetto camino
- ventilazione ibrida (immissione d’aria a vento ed estrazione assistita da ventilazione
meccanica)
Si schematizza di seguito il funzionamento di tali sistemi, ad eccezione di quelli ibridi, con
alcune indicazioni sui limiti dimensionali relativi all’efficacia di ventilazione.
Si definisce ventilazione passante orizzontale il flusso d’aria che attraversa uno o più locali, con
immissione e uscita dell’aria da aperture collocate su pareti opposte o adiacenti (ma non
complanari), collocate alla stessa altezza dal piano di pavimento (in caso di altezze differenti,
si aggiunge al vento la componente effetto camino). La portata d’aria realizzabile con tale
tecnica è proporzionale all’area netta di apertura, all’angolo di incidenza del vento sul piano
dell’apertura e alla differenza di pressione tra le due aperture. Tale differenza è massima per
aperture collocate, rispettivamente, quella d’ingresso dell’aria sul lato sovrappressione, e
quella d’uscita, sul lato in depressione (generalmente, ciò accade quando le aperture sono
collocate su pareti opposte), con angolo d’incidenza del vento compreso tra la perpendicolare e
30°.
La ventilazione a lato singolo è, invece, il ricambio d’aria prodotto in un vano quando vi sono
unicamente una o più aperture collocate sulla medesima parete esterna. Il tasso di flusso, in
tal caso, è discontinuo e legato prevalentemente ad un effetto di pulsazione dell’aria,
dipendente dalle variazioni di velocità e direzione che caratterizzano il vento negli intervalli
brevi. La portata d’aria complessiva oraria è generalmente molto ridotta, soprattutto nel caso
di una singola apertura. Se le aperture sono più d’una, la portata aumenta: per effetto camino,
se esse sono collocate ad altezze diverse; per l’innesco di flusso da vento semi-passante, se le
aperture sono collocate alla stessa altezza.
In entrambe le configurazioni, l’efficacia della ventilazione dipende, altresì, dalla profondità del
vano libero in rapporto all’altezza del vano stesso e dalla eventuale presenza di partizioni, che
aumentano la resistenza al flusso, riducendo ulteriormente la portata d’aria. In Figura 12 sono
riportate le massime profondità di vano, al di sopra delle quali l’efficacia di ventilazione – per
sistemi sia a lato singolo, sia passante – risulta notevolmente ridotta.
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Limiti di profondità di vano per garantire efficacia di ventilazione, nei sistemi di
ventilazione a lato singolo e passante
Ventilazione passante verticale
Si intende per ventilazione passante verticale una tecnica di ventilazione passante, in cui
l’immissione dell’aria avviene da un’apertura posta più in alto rispetto a quella di uscita.
Generalmente, il sistema prevede un condotto verticale di immissione che collega l’apertura
d’ingresso dell’aria al vano da ventilare (Figura 13). L’apertura d’ingresso – il malkaf
dell’architettura tradizionale egiziana– deve essere rivolta sopravvento, in relazione ai venti
dominanti.
Schema di flusso di ventilazione passante verticale (a torre di captazione)
Tale sistema è particolarmente adatto in condizioni di vento prevalente relativamente costante,
nel periodo caldo, nonché in situazioni di contesto urbano ad alta densità edificata, in cui
risulta difficile utilizzare aperture ordinarie (finestre) collocate a livello del vano per
l’immissione d’aria, soprattutto ai primi piani fuori terra.
Tale sistema si può trasformare, in assenza di vento, in un sistema ad estrazione naturale per
effetto camino, come avviene, di notte, nelle torri del vento iraniane
Sistema combinato vento-effetto camino
Il sistema che, tipicamente, combina l’effetto del vento con quello determinato dalla differenza
di temperatura dell’aria tra esterno ed interno (effetto camino), è quello in cui si prevede
l’immissione dell’aria in zona sopravvento, ad altezza del locale da ventilare, e l’estrazione
naturale da un’apertura posta più in alto, all’estremità di un condotto o vano verticale.
Quest’ultimo può essere sia una conduttura costruita ad hoc, sia uno spazio con altre funzioni,
quale un vano-scala o un atrio con aperture apribili in copertura.
Tale sistema può essere concepito sia come specificamente destinato all’estrazione – come nel
caso d’utilizzo di vani-scala o atria – sia come la modalità inversa di un sistema in cui sia
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anche prevista la ventilazione passante verticale, come avviene nella torre del vento iraniana.
Nel primo caso, il vento rappresenta un’agente d’ausilio alla generazione del flusso d’aria, che
è determinata prevalentemente dall’effetto camino. Nel secondo caso, la torre, generalmente
suddivisa in più condotti interni, funziona, alternativamente – in relazione al periodo e alla
presenza, o meno, di vento – come elemento di captazione o di estrazione dell’aria.
Esiste, infine, anche la possibilità di combinazione spaziale – ossia con funzionamento
contemporaneo – delle due modalità, come avviene nell’esempio sopra riportato del Qa’a
egiziano. In tal caso sono necessari due vani verticali per la movimentazione dell’aria: l’uno in
immissione (malkaf), con direzione discensionale, l’altro in estrazione (torrino o lanternino),
con direzione ascensionale.
Schema di ventilazione combinata vento (immissione)-effetto camino (estrazione)
L’inerzia termica dell’involucro
Sistemi per il raffrescamento passivo
Normalmente, la valutazione della dispersione termica delle pareti di un edificio viene eseguita
in condizioni di regime stazionario, ovvero ipotizzando che le temperature dell’ambiente
interno e di quello esterno siano costanti nel tempo. In tal caso si identifica il parametro “K”
trasmittanza definita come il flusso di calore che, in condizioni stazionarie, attraversa una
parete per m2 di superficie e con una differenza di temperatura di 1°C.
In realtà durante la giornata le temperature variano secondo leggi approssimabili a sinusoidi
introducendo parametri diversi dal caso di regime stazionario. Di conseguenza è insufficiente
basare i ragionamenti in materia di isolamento sull’uso della trasmittanza.
Temperatura
Temperatura esterna
Temperatura interna
(parete leggera)
Temperatura interna
(parete passante)
ore
24 ore
Diagrammi di andamento delle temperature sulle pareti nell’arco della giornata
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In condizioni di regime stazionario si attribuisce alla resistenza termica la regolazione del
passaggio di calore trascurando la capacità termica dell’involucro esterno dovuta a diverse
disposizioni dei materiali o al rapporto massa-conducibilità. In realtà i due fenomeni si
combinano generando sulla parete l’effetto di inerzia termica.
Temperatura
75
45
15
ore
15
21
3
15
3
9
15
21
3
Andamento delle temperature in funzione del tempo in regime termico variabile
Come è possibile notare in figura la parete genera uno smorzamento della temperatura,
definito come il rapporto adimensionale tra l’ampiezza dell’onda esterna e quella interna.
Si nota inoltre uno sfasamento tra l’onda esterna e quella interna. La parete, infatti, possiede
la capacità di ritardare all’interno gli effetti termici esterni. L’azione combinata dello
smorzamento e dello sfasamento che la parete garantisce genera un’attenuazione ed un
ritardo delle condizioni termiche esterne.
Sistemi per il raffrescamento passivo
Le schermature solari
Un metodo efficace per il controllo delle condizioni di
comfort all’interno degli edifici possono essere assolte
dall’utilizzo di adeguate schermature solari che,
opportunamente progettate, sono in grado di garantire
il corretto soleggiamento nel periodo estivo ed in quello
invernale.
Durante l’estate devono impedire il surriscaldamento
dell’edificio; in inverno devono permettere il massimo
degli apporti solari. Durante tutto il corso dell’anno
devono garantire un’ottimale illuminazione evitando
fenomeni di abbagliamento.
I sistemi di maggior efficacia sono quelli esterni poiché
evitano il surriscaldamento dell’edificio. Tali sistemi
essendo esposti agli agenti atmosferici devono possedere caratteristiche di resistenza e
necessitano di manutenzione e pulizia.
I sistemi interni, invece, di facile accessibilità e manutenzione possiedo lo svantaggio di far
entrare luce diretta negli ambienti che in talune situazioni
trasformandosi in calore
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intrappolato in prossimità delle finestre può generare un micro effetto serra che se non
opportunamente valutato può creare discomfort termico all’interno degli edifici.
I sistemi parasole possono essere divisi in sistemi fissi e sistemi mobili. I sistemi fissi come i
vetri parasole, sporti di gronda, risultano poco adattabili a diverse condizioni di soleggiamento
a differenza dei sistemi mobili, persiane, tende a banda, tende alla veneziana, fogli riflettenti.
Sono in fase di studio e sperimentazione materiali con proprietà ottiche variabili (cromogenici),
a comportamento passivo (fotocromici), sensibili alla temperatura (termogeici).
Anche la vegetazione può essere utilizzata per schermare l’edificio.
Le schermature naturali sono costituite normalmente da piante con foglie caduche e piante
rampicanti su pergolati. Durante la stagione estiva le fronde ombreggiano l’edificio, mentre in
inverno a fronde spoglie consentono il passaggio dei raggi solari permettendo il riscaldamento
dell’edificio.
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