Appunti Architettura tecnica 2

La struttura tecnologica e il controllo delle condizioni ambientali

Abitazione ipogea in Cina

Energetica abitazione ipogea in Cina: da sopra non si vede nulla, solo la terra e patii scavati dove si aprono alcuni ambienti. A destra la pianta. Sono come delle grotte scavate nel terreno. Senza nessun tipo di apporto impiantistico in questi ambienti, nonostante ciò, ci sono 15 gradi in meno in estate e 10 in più in inverno rispetto la temperatura esterna. Oggi non ci accontentiamo più di questo, ma vogliamo un controllo delle questioni ambientali.

Q = k S ΔT, il calore scambiato con l’esterno è uguale al k coeff. di adduzione, S superficie e ΔT la differenza di temperatura esterna e interna. Quindi in una situazione stazionaria le condizioni ambientali devono essere tali da fornire tanto calore quanto ne esce fuori. Sulla differenza di temperatura non si può influire, ma su k che ci dice quanto l’involucro è isolante e su S che ci fornisce informazioni sulla morfologia dell’involucro dell’edificio. Lo scopo è diminuire Q, cioè il calore da generare per mantenere la temperatura di comfort di 20 °C. In Italia, circa un terzo dei consumi energetici è dovuto alle abitazioni, quindi dal punto di vista progettuale possiamo incidere molto.

Glass House di Philip Johnson

Glass House, Philip Johnson: due case, una in muratura e una di vetro, realizzate per dimostrare che si poteva realizzare la stessa casa ma con materiali differenti, noi la useremo per dimostrare che una è molto più isolante dell’altra. Contrapposizione tra un edificio primitivo, la tenda, e il Seagram Building, prisma di vetro moderno, entrambi realizzati in vista del consumo, in uno il focolare, nell’altro l’impianto di condizionamento, ognuno a seconda delle sue esigenze.

Anticamente non c’era un controllo delle condizioni ambientali all’interno di un edificio, al contrario col tempo, tramite l’utilizzo di impianti, è stato possibile avere un controllo assoluto delle condizioni ambientali all’interno di un edificio. Questo però ha determinato un consumo elevato dal punto di vista energetico. Quindi bisogna cercare di poter controllare le condizioni ambientali all’interno di un edificio non tornando indietro, ma ricercando nuove soluzioni efficienti a basso consumo.

Sistemi energetici

La parola sistemi è un insieme strutturato di parti. Quindi l’edificio è un sistema, composto da una serie di parti che devono collegarsi tra loro. I sistemi energetici si dividono in attivi e passivi. I sistemi attivi sono quelli che presentano soluzioni di carattere impiantistico, pur necessitando di un’alimentazione energetica tradizionale per il loro funzionamento, possono coprire parte del fabbisogno energetico dell’edificio. I sistemi passivi sono quei sistemi che utilizzano l’energia solare per il riscaldamento e la refrigerazione degli edifici senza richiedere la somministrazione di forme di energia diverse da quella termica di origine solare. Quindi lo stesso organismo edilizio, che in funzione di come è realizzato, o riduce i consumi o guadagna energia dall’esterno (es. serra guadagna energia dal sole).

Bilancio energetico ed efficienza

Fare oggi il bilancio energetico è un procedimento abbastanza complesso, l’energetica è una materia molto recente, la difficoltà dell’architettura tecnica è quella di recepire alcuni algoritmi e calcoli e applicarli nella progettazione. Efficienza energetica: è il rapporto tra la potenza in uscita e potenza in entrata. C’è sempre una perdita, quindi è sempre minore di 1. In termini edilizi vuol dire cercare di ottenere le stesse prestazioni da parte dell’edificio, ma con il minor consumo possibile.

Bioarchitettura: si intende l’insieme delle discipline che attuano e presuppongono un atteggiamento ecologicamente corretto nei confronti dell’ecosistema antropico-ambientale. Fare architettura con attenzione all’ambiente.

Sostenibilità: è un termine scientifico normato internazionalmente, è uno sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni. Ciò significa raggiungere il proprio scopo architettonico in maniera da non impattare negativamente sull’ambiente. Anzi oggi si cerca di migliorare l’ambiente.

Energie rinnovabili

Energie rinnovabili: sono forme di energia generate da fonti che si rigenerano o sono “inesauribili” nella scala dei tempi “umani”. La rinnovabilità dell’energia è valutata in funzione di tempi umani, perché tutte le energie sono rinnovabili (anche il petrolio, ma in tempi molto lunghi).

Energie non rinnovabili: sono forme di energia con lunghi periodi di formazione o presenti in riserve non inesauribili. Secondo la legge n°10 del 1991 (prima legge sull’energia rinnovabile) venivano elencate le fonti rinnovabili come:

• Sole
• Vento
• Energia idraulica
• Risorse geotermiche
• Le maree e il moto ondoso
• Trasformazione dei rifiuti organici e inorganici

A queste si aggiunge una categoria di fonti che possono essere considerate assimilabili a quelle rinnovabili. Ecocompatibilità: riguarda materiali e processi che hanno la capacità di integrarsi con l’ambiente in cui vive l’essere umano e in generale con l’ecosistema circostante.

Oggi, si tende ad utilizzare sia energie rinnovabili che non rinnovabili. Questo perché spesso le energie rinnovabili non sono sempre disponibili (ad esempio il vento), a causa dell’assenza di sistemi di accumulo efficienti, non inquinanti e durevoli. L’unico sistema attuale che conosciamo di accumulazione è la batteria, che comunque ha una durata limitata.

Strategie progettuali

Strategie progettuali: riduzione consumo e integrazione fonti rinnovabili, in ordine da 1 a 3 abbiamo interventi più complessi e strategie migliori dal punto di vista energetico.

FENR: Fonti energetiche nuove e rinnovabili.

Riduzione consumo integrazione FENR:

• Correzione dei ponti termici
• Riduzione della dispersione
• Iperisolamento

• Aggiunta sistemi attivi
• Aggiunta sistemi passivi
• Progettazione passiva

Livelli progettuali

SISTEMI ATTIVI FT SISTEMI ATTIVI FENR SISTEMI PASSIVI FENR

• Addizione
• Integrazione
• Identificazione

• Addizione
• Integrazione
• Identificazione

• Addizione
• Integrazione
• Identificazione

Andando da sinistra a destra, e dal basso all’alto nella tabella si va migliorando la progettazione. Quindi la soluzione migliore è quella in basso a destra. Il grigio sta per “soluzioni non praticabili”: i sistemi attivi sono comunque impianti, quindi non si possono identificare con l’edificio stesso. FT: fonti tradizionali.

Bisogna tener da conto i fenomeni di conduzione, convezione, irraggiamento, evaporazione. Nel progettare un sistema bisogna tenere da conto della maggiore necessità di energia in inverno, quando il consumo sarà maggiore e in estate di restituirla per equilibrare il bilancio energetico. Quindi l’apporto che deve fornire l’impianto è discontinuo. Nel 1973 crisi petrolifera, quindi energetica, produzione delle prime leggi sull’emissione dei consumi. Successivamente la crisi ambientale. Le norme impongono di ridurre la trasmittanza delle pareti, che viene classificata in zone climatiche dalla A alla F. A Roma la zona è D e si prevedeva di passare da 0.50 a 0.36. Ad oggi il valore è 0.29.

Inerzia termica

Due situazioni ideali: linea nera isolante, colorato il resto dell’involucro. Blu rappresenta il freddo delle pareti dell’involucro, invece arancione le pareti sono calde anche all’interno. L’edificio di sinistra si scalderà rapidamente, ma si raffredderà altrettanto velocemente, disagevole come funzionamento. Al contrario quello di destra, è migliore dal punto di vista di velocità di raffreddamento, c’è una maggiore continuità, ma si paga in termini economici perché bisognerà scaldare anche l’involucro. Non c’è una soluzione migliore o peggiore dell’altra. Dipende anche a seconda della destinazione d’uso (es. dell’albergo o casa in montagna meglio il caso blu, cioè riscaldamento all’occorrenza; nel caso residenziale meglio il caso arancione). Si dimostra che l’inerzia termica migliora gli scambi termici.

La trasmittanza la calcoliamo in regime statico, normalmente non è così, perché cambiano sia le condizioni interne che esterne, nel momento in cui si passa a regime dinamico l’inerzia termica accumula calore e fa sfasare il comportamento termico della parete (calore anche se è spento il riscaldamento) e si abbassa l’ampiezza (produce risparmio energetico). Meglio un’inerzia termica maggiore o minore? Dipende

L’inerzia termica è sia una condizione di benessere, ma anche una condizione di risparmio. Quindi meglio avere un’inerzia termica maggiore generalmente, la legge impone un’inerzia termica minima, pari a una massa superficiale delle pareti opache minima pari a 230 kg/m². Nel caso di rapida adattabilità delle condizioni termiche è bene che sia bassa. Ciò è in contrasto con l’esigenza statica ed economica di ridurre i carichi delle pareti. Quindi nel ricercare una soluzione migliore bisogna guardare ad un’analisi tra costi e benefici.

Schermatura solare

D’inverno il sole è più basso, d’estate più alto, questo ci consente di posizionare delle schermature adeguate che permettono di ottimizzare il consumo dal punto di vista energetico. Il vetro è un elemento critico importantissimo, perché cambia moltissimo in funzione dell’irraggiamento solare, quindi tra giorno e notte. In estate gli effetti del flusso di energia raggiante proveniente dal sole interessano la copertura dell’edificio e le chiusure disposte ad est e ad ovest. In estate infatti la posizione del sole è elevata rispetto all’orizzonte. In inverno, quando la posizione del sole è più bassa, gli effetti generati dal flusso di energia raggiante interessano le chiusure dell’edificio disposte a sud, ad est e ad ovest.

Per una progettazione energeticamente efficiente bisogna conoscere i principi di base (bilancio energetico, terminologia, requisiti e prestazioni, risparmio energetico, certificazione energetica), il contesto ambientale, l’involucro opaco (isolamento termico, procedimenti costruttivi, elementi costruttivi) e l’involucro trasparente (radiazione solare, procedimenti costruttivi, elementi costruttivi). Approccio per sommatoria: un edificio che ha tutto questo è ottimo dal punto di vista prestazionale, però bisogna avere un approccio architettonico, cioè trasformare il contrasto contro il consumo in architettura.

Struttura procedurale della costruzione

Progettazione preliminare

Edificio e contesto: criteri tecnici per le scelte preliminari

Caratteri del sito

• Aspetti ambientali ed energetici
• Norme urbanistiche (PRG, PP…)
• Orografia, pendenze, scarpate
• Infrastrutture (strade, mezzi pubblici, reti)
• Visuali, preesistenze

Caratteri dell’opera

• Norme edilizie (distacchi, sagome, ambienti)
• Norme igieniche (luce, aria)
• Norme antincendio
• Accessi e parcheggi
• Accessibilità
• Criteri distributivi generali (ECV, impianti)

Relazione tra edificio e ambiente

Ambiente naturale

• Posizione geografica
• Fascia climatica di appartenenza
• Parametri meteorologici
• Morfologia dell’ambiente: situazione dei rilievi intorno all’edificio. Ad esempio, in questa foto siamo in mezzo alle montagne, quindi vediamo che in molti punti la luce del sole non arriva proprio.
• Materiali locali: tema abbastanza recente, cioè l’effetto della riflessione dei raggi solari sul suolo intorno all’edificio. Questo fenomeno, infatti, si verifica molto all’interno delle città, per cui le morfologie urbane spesso sono tali per cui i raggi solari rimangono trattenuti nei “corridoi” tra gli edifici e questo aumenta il calore locale: fenomeno noto come isola di calore.

Importanti sono, inoltre: presenza e uso del verde (ombreggiatura, ventilazione); presenza dell’acqua (capacità termica, umidità del sito).

Caratteri generali

Consideriamo i caratteri del sito e poi quelle dell’opera, queste considerazioni sono di tipo tecnico.

Visuali e preesistenze

Le visuali vanno considerate dal sito e verso il sito, entrambe sono molto importanti per comprendere al meglio lo scenario.

Classificazione acustica del territorio

Il territorio italiano è diviso in zone con precisazioni ben precise sia per i rumori in entrata che per quelli in uscita. Nella nostra zona di progetto l’area si trova in zona verde ad alta intensità umana. (zonizzazione acustica)

Accessi e parcheggi

C’è un problema di rapporto con la viabilità, è utile fare rampe che portano a zone di parcheggio, sono dei collegamenti al contorno che vanno considerati. Nel nostro caso è un collegamento pedonale. Vedi la legge urbanistica 1942 ad es. 1 mq di parcheggi per ogni 10 mc di costruzione e norme edilizie. È importante anche il regolamento edilizio per sagoma dei fabbricati. Es: una finestra deve avere 8 mt davanti.

Norme igieniche

Norme antincendio

Deve essere garantito l’intervento dei mezzi di soccorso e incide sulla sistemazione del lotto.

Accessibilità

Aspetti progettuali: centralità, canalizzazioni verticali e diramazione

Inoltre, sono importanti illuminazione igiene e profondità del corpo di fabbrica e il rapporto con l’involucro.

Energetica

Sistemi passivi con particolari implicazioni a livello di impostazione del progetto

• Tetto giardino: visto come zona totalmente accessibile della costruzione, hanno ovviamente problemi di manutenzione, tenuta all’acqua ecc… ma con opportuni accorgimenti hanno un importante valore architettonico.
• Parete verde: dove è possibile fare anche un orto verticale. Esponendo i pannelli a sud ai fini della coltivazione. Lo considero come sistema energetico perché protegge l’edificio dagli scambi di calore e d’estate ha un effetto di ombra. Il punto debole di questo sistema è però l’irrigazione e le possibili infiltrazioni.
• Roof pond: sono delle vasche d’acqua in copertura, dove l’acqua si riscalda durante il giorno accumulando calore cedendolo all’edificio. Alcune hanno la vera e propria funzione di piscina altre invece sono chiuse. In questa tipologia così come nel tetto giardino i benefici sono per l’ambiente sottostante.
• Serra solare: funziona per effetto serra, il vetro trattiene il calore all’interno, per noi è una grandissima risorsa, ma le criticità sono quelle estive dove dobbiamo schermare i raggi del sole. La vetrata è anteposta alla parete.
• Doppia pelle: simile alla serra solare, è un sistema che invece di essere vetro-parete è un sistema vetro-vetro dove però manca l’accumulo, abbatte il guadagno solare in estate. Serve a ridurre l’apporto solare estivo senza ridurre l’apporto di luce. È l’equivalente trasparente della parete vetrata. In realtà è un sistema molto complesso e comporta il raddoppio delle spese.
• Buffer space: è una combinazione delle precedenti, si tratta di avere un ambiente intermedio che d’inverno si scalda e d’estate di raffresca. Quindi una parte dell’edificio prospetta su quest’ambiente buffer. Questi spazi per lo più sono spazi comuni e hanno anche la funzione di riparo in ambienti pubblici.
• Muro di trombe: più limitato dal punto di vista architettonico, crea una camera d’aria effetto serra. Prevede che il muro di fondo sia nero per accumulare più calore possibile.
• Muro d’acqua: il muro d’acqua consiste nello stesso sistema del muro massivo e di Trombe, con la sola differenza che l’acqua sostituisce l’elemento murario. 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 di Trombe. Soluzione molto suggestiva, che architettonicamente incide parecchio.
• Effetto camino: sfrutta i movimenti d’aria dove l’esigenza è quella di dissipare calore, aumentando l’efficienza estiva. Sfrutta un fenomeno fisico che è la differenza di pressione atmosferica in altezza.
• Torri del vento: l’aria viene fatta entrare dall’alto, riesce sempre dall’alto sia per effetto della differenza di pressione sia per effetto di risucchio.
• Sistema geotermico

Sistemi solari passivi

Sistemi solari passivi sono un ottimo aiuto per il riscaldamento degli ambienti nel periodo invernale ed eventualmente per il raffrescamento in quello estivo. Essi impiegano l’irraggiamento solare incidente sulle superfici dell’involucro edilizio e meccanismi naturali, cioè senza l’ausilio di energia prodotta da impianti termici o importata dalla rete, per il trasferimento del calore assorbito all’interno dell’edificio.

Principali subsistemi:

• Captazione dell’energia solare e trasferimento della stessa all’ambiente e/o all’aria