Architettura tecnica

Cap.1 - Luce naturale

La luce naturale è indispensabile per garantire:

• Il benessere psico-fisiologico
• L'accettazione dello spazio
• Lo svolgimento delle attività

È fondamentale per ridurre il fabbisogno energetico degli edifici, in particolare per:

• Illuminare
• Condizionare (riscaldare)

La luce naturale connota in modo dinamico gli spazi e l’involucro diviene lo strumento per il controllo dell’effetto, per sottrazione (indoor) e per riflessione (outdoor).

La radiazione solare ha diverse componenti, con lunghezze d’onda differenti:

• Componente UV
• Componente nel campo del visibile (tra i 380 nm e i 780 nm, di cui ci occupiamo noi)
• Componente vicino infrarosso
• Componente lontano infrarosso

Della radiazione incidente sulla vetrata una parte viene riflessa, una parte assorbita (che a sua volta verrà in parte riemessa verso l’esterno e in parte verso l’interno) e una parte trasmessa. La trasmittanza luminosa del vetro rappresenta quanta luce in totale viene trasmessa attraverso la superficie. È ottimale da 0,75 in poi.

Tra i vari fattori di “rischio” per la salute degli utenti la luce è la componente meno studiata (in edilizia). Un clima luminoso inadeguato è considerato più elemento di disagio che causa di patologie e danno. Le cause principali sono:

• Abbagliamento (diretto o indiretto, dovuto a forti contrasti)
• Inadeguato livello di illuminamento (troppa luce o poca luce per l’attività da svolgere)
• Tipo di attività e distanza di osservazione (non corretto posizionamento della sorgente luminosa rispetto al piano di lavoro)

I disturbi possono essere visivi-disfunzionali (affaticamento, peggioramento della vista) o oculari-irritativi (bruciore, lacrimazione).

Definizioni

Ora vediamo alcune definizioni:

• Ambiente luminoso: rappresenta la qualità e la quantità di luce da avere in un certo ambiente.
• Compito visivo: rappresenta l’insieme degli elementi visivi del lavoro effettuato (es. scrivania, pc).
• Zona del compito: rappresenta la parte del posto di lavoro nella quale viene svolto il compito visivo. Per ambienti dove non sono note le dimensioni e la disposizione della zona del compito deve essere assunta come zona del compito la zona dove il compito può essere effettuato.
• Zona immediatamente circostante: rappresenta quella fascia di almeno 0,5 m di larghezza intorno alla zona del compito all'interno del campo visivo.
• Illuminamento: il rapporto tra la quantità di flusso luminoso agente su una superficie e la superficie stessa (espressa in lux).
• Luminanza: il rapporto tra la quantità di luce che colpisce la superficie e le sue proprietà di riflettanza (espressa in cd/m²).

Le informazioni necessarie per una corretta definizione della quantità di luce (illuminamento) da produrre sul piano su cui si esercita la visione sono le seguenti:

• Destinazione d’uso
• Tipo di attività svolte negli spazi considerati
• Caratteristiche del compito visivo (ampiezza dell’area su cui la visione viene esercitata, periodo di tempo e contrasto necessario)
• Requisiti di velocità e precisione della percezione (facoltativo)
• Età media degli occupanti

Si va da un minimo di 100-200 lux per ambienti con esigenze visive basse (scale, corridoi), a 2000-3000 lux per ambienti con esigenze visive altissime e addirittura fino a 20000-100000 lux per ambienti con esigenze visive eccezionali (sale operatorie). Possiamo definire inoltre diverse categorie di compiti visivi (A, B, C, D, E, F, G, H, I), che corrispondono a diversi livelli di illuminamento. La categoria più bassa (A) è tra i 20-50 lux, mentre la più alta (I) sui 10000-20000 lux.

Parametri prestazionali

I parametri prestazionali che posso controllare, ovvero gli obiettivi di progetto, sono di 3 tipi:

1. Descrittori quantitativi, che permettono di costruire “oggettivamente” il campo luminoso in quanto dipendono da vincoli normativi (es. per uffici devo avere un certo livello di illuminamento minimo).
2. Descrittori qualitativi, che permettono di condizionare e mutare la percezione dello spazio fisico-geometrico (es. scelta dei materiali).
3. Descrittori di comfort, il cui non soddisfacimento di uno di questi parametri può portare ad una situazione di discomfort “apparente”, dipendono da utente ad utente (es. l’utente richiede di avere grandi vetrate ma vuole al tempo stesso avere molta privacy, quindi devo trovare una soluzione che soddisfi entrambe le richieste).

Descrittori quantitativi

I principali descrittori quantitativi sono:

1. Il livello di illuminamento è la quantità di flusso luminoso (naturale e artificiale) che colpisce una superficie in un determinato ambiente. I riferimenti per la definizione della prestazione sono:
   • UNI EN 12665:2004 Luce e illuminazione - Termini fondamentali e criteri per i requisiti illuminotecnici
   • UNI EN 12464-1:2004: Luce e illuminazione - Illuminazione dei posti di lavoro - Parte 1: Posti di lavoro in interni
   • UNI 10840:2000 Luce e illuminazione - Locali scolastici - Criteri generali per l'illuminazione artificiale e naturale
   • Codici di pratica
2. Il Fattore di Luce Diurna (FLD), che riguarda solo la luce naturale, è il rapporto espresso in per cento tra l’illuminamento medio dell’ambiente (Em) e l’illuminamento che si ha nelle stesse condizioni di tempo e spazio, su una superficie orizzontale esterna che riceve luce dall’intera volta celeste, senza irraggiamento solare diretto (Eo). Si prendono come condizioni del cielo esterno il caso peggiore, ovvero cielo coperto. Il FLD dipende da diversi fattori esterni come le caratteristiche ottico-geometriche della finestra e la presenza o meno di ostruzioni. Il FLD deve essere compreso sempre tra il 2-5%.
3. La variazione dei livelli illuminamento è il rapporto tra gli illuminamenti delle varie aree o punti dello spazio confinato. Rappresenta quindi come l’illuminamento si distribuisce nello spazio. Per avere un buon livello di illuminamento il rapporto tra l’illuminamento minimo (Emin) e quello medio (Em) deve essere maggiore o uguale a 0,8. Mentre se prendo in considerazione il rapporto tra l’illuminamento minimo (Emin) e quello massimo (Emax) siamo in condizioni ideali sopra allo 0,7/0,8.
4. Il fattore d’ombra rappresenta il rapporto tra flusso luminoso diffuso e diretto. Quando il rapporto tra flusso luminoso diffuso e diretto è minore di un certo valore assegnato, cioè quando la luce ha una forte componente diretta, si ha un’illuminazione sgradevole con ombre troppo forti. Φ diffuso/Φ diretto ≥ 1/4 o 1/5.
5. Il contrasto è il rapporto tra le diverse luminanze. Prendiamo come valori accettabili quelli compresi tra 0,33 e 3.
6. L’indice di abbagliamento rappresenta, dato un layout distributivo e individuato il posizionamento dell’utente e l’attività che sta svolgendo rispetto alla sorgente luminosa, come l’utente possa intercettare la sorgente. Questo varierà di posizione in posizione. In generale l’indice di abbagliamento si aggira tra il 16 (appena tollerabile) e il 28 (intollerabile). Quando si calcola l’abbagliamento in un determinato luogo bisogna prenderlo con uno scarto di 10 gradi circa, per tenere conto dei vari posizionamenti che l’utente può assumere.
7. La resa cromatica/colorimetrica rappresenta quanto la colorazione del vetro rende soddisfatti gli utenti. Vetri più chiari garantiscono livelli di gradimento molto più alti di vetri colorati.

Descrittori qualitativi

I principali descrittori qualitativi sono:

1. Articolazione spaziale: Posso far muovere le persone lungo un determinato percorso anche senza indicazioni, ad esempio con dei giochi di luce passando da ambienti più bui ad altri più luminosi. L’occhio umano richiede tempo per adattarsi al cambiamento di condizioni luminose, di conseguenza devo tenere conto di questo aspetto dosando in maniera graduale il passaggio.
2. Texture: Le finestre generano ombre che creano diverse texture sull’ambiente interno. Devo quindi tenere conto dell’effetto prodotto, anche a diversi orari del giorno e in diverse condizioni climatiche.
3. Densità del campo luminoso
4. Modellato (tipologia ombre): Devo analizzare se voglio l’ombra sull’oggetto o se l’oggetto generi ombra. Posso inoltre scegliere se avere un’ombra netta o un’ombra impercettibile (utilizzando magari più sorgenti luminose collocate in punti diversi).
5. Orientamento spaziale

Descrittori di comfort

I principali descrittori di comfort sono:

1. Veduta
2. Interattività e regolabilità: Ogni utente deve avere la possibilità o la percezione di poter interagire e regolare le condizioni di luce (tende, lampadine).
3. Orientamento temporale
4. Privacy

La disponibilità di luce naturale dipende soprattutto dalla collocazione geografica dell’organismo edilizio, quindi da:

• Latitudine
• Condizioni prevalenti di cielo (copertura, nuvolosità media mensile)
• Illuminamenti e luminanza del cielo
• Durata del giorno

Ma dipende anche da:

• Presenza di ostruzioni (costruite o naturali)
• Coefficiente di riflessione delle superfici esterne (edifici circostanti, piani orizzontali)

Le possibili strategie di controllo sono:

• Filtrare (ridurre) la luce naturale (controllare quindi l’abbagliamento e i livelli di illuminamento)
• Escludere la luce naturale
• Potenziare la luce negli ambienti (incrementare la luce in profondità)

Per quanto riguarda l’organismo edilizio invece si può intervenire su:

• Morfologia (forma dell’involucro)
• Lay-out distributivo e dimensione delle unità ambientali (lunghezza, altezza, profondità)
• Rapporto superficie finestrata/superficie pavimentata (RAI)
• Collocazione finestre e forma
• Coefficiente di riflessione delle superfici interne

RAI = Rapporto fra superficie aerante - illuminante e superficie utile del locale. RA e RI non sempre coincidono.

Superfici trasparenti

Concentriamoci sulle superfici trasparenti ora. È importante tenere conto della compatibilità prestazionale e tecnologica tra le scelte fatte. Devono essere garantite:

• Congruenza tra le valutazioni energetiche in estate e in inverno (in estate le superfici devono essere schermate ma senza impedire la ventilazione trasversale, mentre in inverno le superfici devono essere libere)
• Congruenza tra le valutazioni energetiche e luminose (per quanto riguarda la progettazione della luce si preferiscono finestre grandi e protette per evitare abbagliamento, mentre per la progettazione in termini energetici le finestre si preferiscono piccole per ridurre disperdimenti)
• Privacy e sicurezza
• Buona acustica
• Sicurezza e protezione da guasti (urti da “corpo duro e molle” o danni da shock termico)

Esistono vetri che permettono di filtrare la luce attraverso la loro colorazione. Il vantaggio è un buon controllo della radiazione solare, ma lo svantaggio è che sono sistemi statici e di conseguenza limitano tanto l’illuminazione. Ci sono anche vetrazioni complesse per filtrare la luce. Permettono di controllare bene la radiazione solare e sono dinamici, però sono costosi e a volte limitano troppo l’illuminazione. Esempi sono i vetri elettrocromici (dinamico attivo), fotocromici (dinamico passivo) e prismatici (dinamico passivo).

Schermature

Dopo la progettazione delle superfici trasparenti vediamo le schermature. Possono essere di 2 tipologie:

• Sistema continuo
• Sistema discontinuo

Con giacitura, rispetto al piano della superficie trasparente, di 3 tipi:

• Sistema parallelo
• Sistema ortogonale
• Sistema misto

Il posizionamento, rispetto alla superficie trasparente può essere:

• Interposto (in un’intercapedine)
• Esterno
• Interno

La tipologia di movimentazione può essere:

• Regolabile in continuo
• Regolabile on-off
• Sistema fisso (aggetti orizzontali e verticali)

Il materiale costituente il sistema può essere:

• Opaco
• Trasparente
• Traslucido
• “Naturale”

Infine il sistema può essere:

• Permeabile all’aria
• Impermeabile ad aria e acqua

Se come elemento per filtrare la luce naturale si scelgono gli aggetti fissi ci sono degli svantaggi, come la continua manutenzione richiesta e l’assenza di variabilità al variare delle condizioni di cielo. Per proteggere dal fenomeno dell’abbagliamento si utilizzano tende interne e/o aggetti orizzontali e verticali ed interni alla superficie trasparente. Il vantaggio è la facilità di manutenzione, mentre gli svantaggi sono la limitazione dell’illuminazione (se fissi), il reirraggiamento verso l’interno dell’energia assorbita, la limitazione degli apporti solari nel periodo sottoriscaldato (se fissi) e il carico termico nel periodo surriscaldato.

Ci sono anche elementi che permettono di potenziare i livelli di illuminamento. I vantaggi sono che non limitano gli apporti solari gratuiti nel periodo invernale e permettono un elevato controllo della radiazione solare. Gli svantaggi sono invece che è difficile integrarli a livello architettonico/tecnologico e i depositi di polvere su di essi richiedono spesso manutenzione. Gli elementi che permettono di filtrare e trasformare in energia la radiazione solare hanno stessi vantaggi e svantaggi visti per gli elementi che permettono di potenziare i livelli di illuminamento.

Requisiti normativi

Ora vediamo un po’ di requisiti normativi, in particolare per Milano.

Requisiti diretti

1. Per gli ambienti con destinazione residenziale, la distanza tra il serramento e il punto più distante da questo del pavimento di ogni singolo locale non superi 2,5 volte l'altezza da terra del punto più elevato della superficie finestrata (P ≤ 2,5 h)
2. Per P maggiori (ma non oltre 3,5 h), l'area complessiva delle parti trasparenti misurate come sopra non deve essere inferiore a 1/8 dell'area del pavimento
3. Se l'apertura finestrata è coperta da sporgenze (aggetti, velette, balconi, coperture) superiori a 150 cm, calcolate per un'altezza p=L/2 (ove p=proiezione della sporgenza sulla parete e L=lunghezza della sporgenza dall'estremo alla parete, calcolata dall’asse del serramento perpendicolarmente alla parete o formante un angolo di 45 gradi con questa) così come dallo schema esplicativo
4. La porzione di parete finestrata che si verrà a trovare nella porzione "p" sarà considerata utile per 1/3 agli effetti illuminanti
5. Nel caso di pareti con esposizione compresa nell’arco di +/- 60° SUD, la porzione "p" sarà considerata utile per 1/2 agli effetti illuminanti
6. Laddove non sia possibile modificare le pareti perimetrali esterne, la conservazione delle superfici trasparenti esistenti con rapporti inferiori ai prescritti è consentita limitatamente ai casi previsti nell’Art. 86 e a condizione che i rapporti illuminanti non siano inferiori del 30% rispetto a quanto previsto nel presente articolo
7. Nelle nuove costruzioni e nei cambi d’uso verso la destinazione residenziale le parti trasparenti delle pareti perimetrali esterne devono essere dimensionate e posizionate in modo da permettere l'adeguata illuminazione dei piani di utilizzazione e la "visione lontana" anche da persone sedute. Sono considerate parti trasparenti valevoli ai fini dei rapporti illuminanti le portefinestre, anche arretrate, di accesso alle unità immobiliari poste sulle pareti perimetrali e le porte vetrate di accesso ai negozi

Requisiti indiretti

1. Installare interruttori a tempo e/o azionati da sensori di presenza, ad esclusione degli apparecchi illuminanti per l’illuminazione di sicurezza
2. Parzializzare gli impianti con interruttori locali ove funzionale
3. Utilizzare sorgenti luminose di classe A (secondo quanto stabilito dal Regolamento UE 874/2012) o migliore

Cap.2 – Clima

Una parte fondamentale della progettazione è lo studio delle condizioni climatiche del luogo interessato e del rapporto che hanno con le strategie adottate per il nostro edificio.

Gli edifici che progetteremo saranno edifici a climatizzazione spontanea (climate sensitive building), un tipo di organismo edilizio:

• A comportamento variabile (sensibile e reattivo) al variare delle sollecitazioni climatiche
• In cui l’involucro svolge il ruolo di mediazione dei segnali energetici, termici e luminosi (assetto variabile)
• In cui l’apparato impiantistico viene attivato per “compensare” le condizioni di discomfort (gli impianti sono meno invasivi e più sofisticati e a bassa potenza)
• Che impiega per approvvigionamento energetico l’energia derivante da fonti rinnovabili (per compensazione)

Nella progettazione di questo tipo di edifici l’impianto architettonico e quello tecnologico costruttivo hanno la stessa importanza. L’obiettivo della progettazione energetica è quello di bilanciare l’energia entrante e quella uscente, in modo da mantenere le condizioni climatiche interne volute. I 3 aspetti principali che devo analizzare prima di iniziare a progettare sono:

• Fattori naturali di contesto, ovvero sia il contesto climatico che il contesto fisico (come esso può potenziare o depotenziare le mie for...