Appunti di L'edificio sostenibile: la progettazione bioclimatica

Indice

Analisi del sito – lo studio degli agenti fisici ....................................................................................... 1 L’edificio bioclimatico ................................................................................................................... 1 Il concetto di Gradi Giorno ............................................................................................................ 1 Microclima caratteristico del sito .................................................................................................. 2 Disponibilità di fonti energetiche rinnovabili .................................................................................. 3 Bilancio termico ........................................................................................................................... 3 Variabili del bilancio termico ......................................................................................................... 3 Indici di benessere ....................................................................................................................... 4 Diagrammi bioclimatici ................................................................................................................. 5 Lo studio del sole sul sito di costruzione ........................................................................................... 8 Il percorso del sole ..................................................................................................................... 11 Le maschere di ostruzione .......................................................................................................... 13 Esposizione, forma e orientamento ................................................................................................. 14 Involucro opaco ............................................................................................................................. 18 Trasmittanza .............................................................................................................................. 20 Ponti termici ............................................................................................................................... 21 Coperture .................................................................................................................................. 23 Soluzioni per tetti piani ................................................................................................................... 25 Tetto caldo ................................................................................................................................ 25 Tetto rovescio ............................................................................................................................. 25 Murature .................................................................................................................................... 26 Isolante nelle murature ............................................................................................................... 27 La progettazione dell’involucro trasparente: caratteristiche fisiche degli elementi vetrati ................. 29 Schermature solari ........................................................................................................................ 34 Illuminazione naturale .................................................................................................................... 37 Fattore di luce diurna .................................................................................................................. 38 Principali fonti rinnovabili ............................................................................................................... 41 Dimensionamento di massima di un impianto fotovoltaico .......................................................... 43 Struttura di un pannello fotovoltaico ........................................................................................... 43 Dimensionamento ...................................................................................................................... 44 La progettazione bioclimatica ........................................................................................................ 56

Analisi del sito – lo studio degli agenti fisici

L’edificio bioclimatico

Dal punto di vista operativo, realizzare l’edificio bioclimatico significa inserire correttamente l’edificio nel clima del sito in cui esso si trova. Lo scopo è quindi quello di individuare le caratteristiche climatiche del sito di costruzione, identificando quelle che possono essere favorevoli e quelle sfavorevoli, al fine di modellare la forma dell’edificio e scegliere le tecnologie costruttive più idonee per limitare l’utilizzo di fonti energetiche non rinnovabili.

L’analisi del sito è l’indagine conoscitiva rivolta verso gli elementi ambientali e climatici condizionanti le scelte progettuali in direzione di un’edilizia a basso carico ambientale. Compiuta nella fase che precede la progettazione, comporta la ricerca delle informazioni più facilmente reperibili relative ai fattori ambientali o agli agenti fisici caratteristici del luogo.

Facciamo una divisione concettuale: ragioniamo sul rapporto fra la realizzazione di una costruzione e il luogo dove essa sorge. Questo rapporto lo si può fare o nei confronti di quello che andiamo a proteggere del luogo in cui andiamo a costruire (prima valutazione) oppure dobbiamo fare la valutazione di quello che il luogo di costruzione dà sulla nostra costruzione.

Fattori ambientali: elementi dell’ambiente influenzati dal progetto

• Salvaguardia della salubrità dell’aria;
• Salvaguardia delle risorse idriche;
• Salvaguardia del suolo e del sottosuolo;
• Salvaguardia del verde e del sistema del verde;
• Salvaguardia delle risorse storico culturali.

Agenti fisici

A noi interessa l'analisi di questi elementi, che sono quelli caratteristici del sito che non possono essere modificati ma che condizionano le caratteristiche morfologiche e/o costruttive del mio progetto.

Uso razionale delle risorse climatiche, fornite dal sito, ed energetiche. Il nostro obiettivo è quello di far star bene le persone nel nostro edificio senza usare troppa energia e senza costruire edifici che abbiano troppo impatto sull'ambiente;

• Uso coscienzioso delle risorse idriche;
• Soddisfacimento delle esigenze di benessere, igiene e salute (disponibilità di luce naturale, clima acustico, campi elettromagnetici, accesso al sole, riparo dal vento ecc.).

Il concetto di Gradi Giorno

Come capire quanto siamo distanti dalle condizioni di comfort? Un modo semplificato è quello dei gradi-giorno. Si tratta della somma, estesa a tutti i giorni di un periodo dell'anno convenzionale, delle sole differenze positive (o negative) giornaliere tra la temperatura convenzionale, fissata in Italia a 20°, e la temperatura media esterna giornaliera.

Il dato di 20° viene utilizzato per parametrizzare il clima rispetto ad una temperatura di comfort. 1

Attualmente la normativa italiana (DPR 412/93) considera solamente i giorni invernali e in base ad essi definisce delle zone climatiche per il riscaldamento, così riassumibili:

• Fascia A: < 600 GG: dal 1° dicembre al 15 marzo (due comuni);
• Fascia B: tra 601 e 900 GG: dal 1° dicembre al 31 marzo (157 comuni);
• Fascia C: tra 901 e 1400 GG: dal 15 novembre al 31 marzo (989 comuni tra cui Villasor);
• Fascia D: tra 1401 e 2100 GG: dal 1° novembre al 15 aprile (1611 comuni);
• Fascia E: tra 2101 e 3000 GG: dal 15 ottobre al 15 aprile (4271 comuni);
• Fascia F: > 3000 GG: tutto l'anno (1071 comuni).

In base a queste fasce ci sono dei parametri progettuali (per esempio, in condizioni più fredde viene richiesto maggior isolamento termico alle pareti).

La conoscenza dei gradi-giorno è fondamentale nelle procedure di verifica dei requisiti termici dei componenti dell'involucro edilizio e dei consumi energetici per il riscaldamento. Ad esempio, Cagliari è una città umida e vicina al mare, e ciò comporta dei problemi nel comfort estivo. L'umidità è più elevata d'inverno, è molto difficile da combattere ed è un fenomeno che sta aumentando per via del cambiamento climatico (es. anticiclone africano).

Microclima caratteristico del sito

Potrebbero essere presenti degli elementi sul sito che alterano le condizioni climatiche, ad esempio:

• Topografia: la presenza di elementi orografici potrebbe creare ombra e quindi bisogna tenerne conto;
• Relazione con l'acqua: altera l'umidità e la temperatura localmente;
• Relazione con la vegetazione: altera l'umidità e la temperatura localmente;
• Tipo di forma urbana.

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Disponibilità di fonti energetiche rinnovabili

• Sfruttamento dell'energia solare in relazione al clima e alla disposizione del sito;
• Sfruttamento dell'energia eolica in relazione alla disponibilità annuale di vento (complicazione dovuta all'elemento mobile che provoca azioni dinamiche);
• Sfruttamento di biomassa e biogas;

Bilancio termico

Possiamo definire il comfort termico come una sensazione di benessere, soddisfazione e appagamento.

Per spiegare questo stato possiamo riferirci ad un'attività di trasformazione energetica, la quale produce calore che deve essere dissipato ma non in eccesso poiché la temperatura deve rimanere intorno ai 36°: ± ± ± − = 0. Dove:

• Produzione di calore metabolica (sempre positivo ma non uguale per tutti); =
• Calore scambiato per irraggiamento (segno - se il calore è ceduto segno + se acquisito). = Dipende da emissività, temperatura e fattore di vista tra due superfici;
• Calore scambiato per convezione (respirazione esclusa) (segno - se l'aria è calda, segno + se l'aria è fredda). La convezione è il trasferimento di calore tra la superficie e l'aria. Dipende dalla temperatura di quest'ultima, dalle caratteristiche della superficie di contatto e dalla ventilazione;
• Calore scambiato per conduzione. La conduzione è il trasferimento di calore tra due superfici; =
• Calore scambiato per evaporazione (respirazione inclusa). Dipende dall'umidità. Avviene tramite la respirazione. Termine sempre negativo o al più nullo.

Se questo bilancio risulta essere diverso da zero non si ha condizioni di comfort; se è maggiore di zero mi starò riscaldando, se minore di zero mi starò raffreddando.

Variabili del bilancio termico

Essendo i fattori di contorno delle variabili soggettive non possono essere presi in considerazione. Per questo motivo avremo una percentuale di soddisfazione che non sarà mai del 100%, ci sarà per forza una certa percentuale di insoddisfazione. 3

Per stare all'interno delle condizioni di comfort dobbiamo ipotizzare i seguenti valori delle variabili:

• Temperatura dell'aria a bulbo secco in genere compresa tra i (20 − 22°) in inverno e 24 − 26° d'estate;
• Pressione parziale del vapore d'acqua (umidità relativa), per valori compresi fra il 30 e il 60% l'effetto non è particolarmente significativo. Oltre il 60% è difficile trovare comfort per problemi di evaporazione, mentre al di sotto del 30% il clima è molto secco;
• Velocità dell'aria non dovrebbe mai essere oltre (0,10 − 0,15 / 0,25 /) in inverno e in estate;
• Temperatura media radiante si tratta della media ponderata delle temperature delle superfici che possono scambiare calore per irraggiamento con il corpo umano.

Per quest'ultimo valore si prendono tutte le temperature, emissività e i fattori di vista delle superfici rispetto alla mia posizione in un posto preciso e si calcola quella temperatura media per cui avrei lo stesso scambio termico che ho con tutte le superfici.

Se ricado fuori dalla zona grigia non ho comfort, il bilancio termico è diverso da zero.

In funzione delle variabili appena riportate, l'equazione del bilancio termico diventa: )(, , , , , = 0. Dove è la temperatura media superficiale della pelle, è la resistenza termica dell'abbigliamento e il metabolismo.

Indici di benessere

Voto medio previsto = percentuale prevista di insoddisfatti =

Con un valore di (Predicted Mean Vote) pari a 0 avrò condizioni di benessere per il 95% degli utenti, con una percentuale di insoddisfatti del 5%. 4

Le categorie si differenziano a seconda dell’ambiente: categoria A (es. ospedale), categoria B (es. università), categoria C (es. residenziale).

Gli ambienti di categoria A ovviamente presentano delle condizioni di benessere ambientale migliori rispetto alla categoria C.

Valori inferiori a quelli previsti per la categoria C non sono considerati compatibili con un buon livello di benessere ambientale.

Diagrammi bioclimatici

Questi diagrammi ci dicono quale sia il rapporto tra il dato climatico e la percezione di comfort che avrebbe un utente e le strategie bioclimatiche da adottare per rientrare nella condizione di comfort.

Diagramma di Olgyay

In ascissa abbiamo le umidità relative date dalla differenza tra temperatura a bulbo secco e a bulbo umido (20 − 70%), mentre in ordinata abbiamo la temperatura a bulbo secco, che normalmente misuriamo per l’aria con un termometro, a bulbo secco appunto (20° − 25°).

Il diagramma individua una zona di comfort (in grigio), che equivale a quelle combinazioni di valori dell’aria, di umidità relativa, di temperatura media radiante, di velocità dell’aria che danno, per un certo numero di persone, il bilanciamento dell’equazione ed un range di valori di accettabilità.

La temperatura dell'ambiente è data sia dall'aria che dalle superfici.

Le linee blu, rosse ecc. rappresentano l’andamento medio delle temperature e dell’umidità in funzione delle diverse ore del giorno. 5

Es. caso Muravera

In questo caso si sono presi i dati climatici e si sono inseriti dentro al diagramma riportando tutti i mesi. È importante conoscere i dati di temperatura e umidità relativa del sito. Il confronto fra questi valori mi dice che d'inverno non sono all'interno dell'area di comfort; il primo mese in cui sto dentro a quest'area è maggio nelle ore diurne.

Mentre, d'estate, sto dentro l'area di comfort a giugno ma non a luglio ed agosto per colpa dell'umidità relativa eccessiva.

Per rientrare in condizioni di comfort posso attuare le seguenti strategie:

• Ventilazione: avendo riuscirei a far rientrare luglio agosto completamente, nonostante l'umidità relativa;
• Se abbasso questo valore rientro in condizioni di comfort;
• Raffrescamento radiante: raffrescando e asciugando l’aria (se non asciugassi l’aria avrei problemi di formazione di condensa);
• Irraggiamento solare: durante l'inverno l'unica estensione che si può fare è l'irraggiamento solare.

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Diagramma psicometrico di Givoni

In questo diagramma abbiamo in ascissa temperatura a bulbo secco, mentre in ordinata abbiamo l’umidità assoluta.

Si tratta di un diagramma psicometrico che viene utilizzato per le strategie passive estive, ed il suo funzionamento è analogo al diagramma precedente.

L’area di comfort stavolta risulta divisa in due: invernale ed estiva. Per quanto riguarda il periodo estivo si possono aver delle estensioni di tale area attraverso diverse strategie, come la ventilazione; mentre per il periodo invernale (linee nere) si può ricorrere all’inerzia termica tramite l’utilizzo del riscaldamento solare passivo.

(Ventilazione notturna della massa e ventilazione meccanica della massa): la massa termica può essere raffrescata durante la notte attraverso la ventilazione, così viene portato via il calore accumulato durante il giorno dalla muratura.

Massa termica elevata, è l'equivalente di ma nel periodo estivo, l'inerzia termica dell'edificio mi consente di estendere l'area di comfort.

Aumenta la ventilazione, tollero condizioni più severe di temperatura e umidità (l’area sale). 1 2: sono le aree di comfort estive e invernali studiate da Givoni dove sto bene.

Raffrescamento evaporativo. Esistono alcune situazioni, tipiche dei climi caldo-aridi, in cui il vento prima di arrivare dentro l'edificio viene fatto passare attraverso una massa d'acqua. L'aria calda e secca passando sull'acqua si rinfresca, cedendo calore. Funziona solo se l'umidità è bassa, sennò non evapora nulla poiché nell'acqua è già presente tanta umidità.

Givoni ha tracciato le aree di estensione del comfort (, dove rappresenta la zona di, , ), possibile comfort invernale con l'inerzia dell'involucro in inverno.

La curva di saturazione rappresenta il massimo di umidità relativa consentita per ogni temperatura.

Se si riportano le curve di Olgyay all'interno del diagramma di Givoni si ottiene: 7

È quindi possibile classificare le varie strategie bioclimatiche, come evidenziato nella seguente tabella: in rosso sono segnate le strategie che funzionano molto bene, nella zona mediterranea non ne abbiamo neanche uno perché il nostro clima ha una variabilità tra est