Appunti Tecnologia dell'architettura II, prof Marco Casini

Costruire l'ambiente e l'edilizia sostenibile

I gas serra (biossido di carbonio CO₂, metano CH₄, ozono O₃...) sono aumentati a causa delle attività antropiche, in particolare la combustione di fonti fossili, e sono responsabili del ritorno sempre maggiore della radiazione termica infrarossa emessa dal pianeta sulla superficie terrestre (1970-2004 aumento del 70%). Negli ultimi 100 anni la temperatura media terrestre (15°C) è aumentata di circa 1°C. Con l'adozione del Protocollo di Kyoto molti Paesi industrializzati si sono impegnati ad invertire la rotta, ma la strada per contrastare i cambiamenti climatici è ancora lunga.

Tappe fondamentali di consapevolezza sulla questione ambientale

• Conferenza mondiale di Stoccolma - 1972
• Vertice di Rio de Janeiro – 1992
• Trattato di Amsterdam - 1997
• Protocollo di Kyoto - 1997
• Vertice di Johannesburg – 2002

Gli edifici assorbono oltre il 40% del consumo mondiale di energia per riscaldamento e illuminazione e producono il 35% delle emissioni di gas serra.

Edilizia sostenibile

L'edilizia sostenibile è un processo in cui tutte le figure interessate applicano considerazioni per costruire e ristrutturare edifici che risultino gradevoli, durevoli, funzionali, accessibili, comodi e sani, efficienti, rispettosi dell'ambiente, della cultura e dei patrimoni, competitivi in termini di costi. Sviluppo sostenibile significa soddisfare i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri.

Life cycle thinking è un principio comunitario finalizzato a tener conto delle ricadute ambientali, sociali ed economiche delle scelte progettuali sull'intero ciclo di vita dell'edificio.

Obiettivi strategici della UE per l'edilizia sostenibile

La UE ha definito degli obiettivi strategici per lo sviluppo dell'edilizia sostenibile raggiungibili grazie a:

• Miglioramento della normativa di settore Ecolabel
• Certificazione ambientale di imprese e prodotti (dal 2007)
• Formazione e informazione
• Incentivi e promozione

Queste azioni si applicano in primis agli appalti pubblici, che costituiscono oltre il 14% del PIL della Unione Europea.

Qualità edilizia

La qualità edilizia è l'insieme delle proprietà e delle caratteristiche dell'organismo edilizio che conferiscono ad esso la capacità di soddisfare, attraverso prestazioni, delle esigenze espresse o implicite. Essa costituisce anche un valore collettivo.

Bisogni + fattori ambientali/culturali/tecnici/economici = Esigenze

Esigenze + interessi = qualità

17 tipi di qualità: Funzionale-spaziale, Ambientale, Tecnologica, Tecnica, Operativa, Utile, Manutentiva.

Direttiva 2002/91/CE (EPBD)

La Direttiva 2002/91/CE (EPBD – Energy Performance of Buildings Directive) [Recepita in Italia dal Dlgs n. 192/2005] disciplina il rendimento energetico degli edifici nuovi o ristrutturati, imponendo agli Stati di stabilire requisiti e meccanismi secondo una metodologia comune per regolamentare il fabbisogno energetico per riscaldamento, acqua calda, condizionamento, ventilazione e illuminazione. In sede di costruzione o compravendita di un immobile va rilasciato un "attestato di certificazione energetica" che indichi le caratteristiche dell'involucro, degli impianti e i conseguenti consumi di energia. L'ideale sarebbe realizzare un edificio che produca più energia di quanta ne consumi in tutto il suo ciclo di vita.

Risparmio energetico

Il risparmio energetico si ottiene con un'attenzione a livello ambientale (clima e condizioni del sito), poi a livello tipologico (forma, orientamento, distribuzione interna) e infine a livello tecnico-costruttivo (involucro).

La sfida dell'innovazione tecnologica in architettura

• Lo studio della forma e l'orientamento degli edifici, il posizionamento e l'orientamento delle aperture, la distribuzione interna
• Lo studio dei materiali e dei prodotti edilizi
• L'ottimizzazione degli impianti utilizzando quanto più possibile energie rinnovabili
• Il rapporto tra processi produttivi degli elementi e l'organizzazione del cantiere
• Il far sì che l'aspetto sostenibile non penalizzi ma valorizzi l'opera architettonica nel rispetto di tutti gli interessi in gioco

La valutazione della sostenibilità ambientale in Italia è affidata al Protocollo ITACA, il quale definisce il livello di performance ambientale degli edifici e promuove e incentiva l'edilizia sostenibile, anche grazie a incentivi.

Il processo edilizio

Il processo edilizio è una sequenza ordinata di fasi, composte da attività svolte da attori precisi che portano dal rilevamento delle esigenze al loro soddisfacimento, mediante la definizione di obiettivi e l'attenzione ai mezzi e ai vincoli.

• Processo decisionale
• Programmazione (studio di fattibilità + documento preliminare alla progettazione)
• Progettazione
  • Progetto preliminare (con controllo della qualità)
  • Progetto definitivo
  • Progetto esecutivo
• Processo esecutivo
  • Realizzazione
• Processo gestionale
  • Gestione (manuale operativo di manutenzione)
  • Dismissione

Il percorso progettuale

Il percorso progettuale è un approccio analitico costituito da varie fasi durante le quali si definiscono 4 quadri di riferimento:

• Programmatico: individuare le regole e le norme vigenti nel sito di insediamento
• Esigenziale: definire gli obiettivi che si intende perseguire coerentemente col quadro delle esigenze
• Progettuale: definire i livelli prestazionali e i requisiti tecnici che si intende raggiungere, in particolare devono essere chiaramente definiti i requisiti in termini di fruibilità, benessere, gestione, salvaguardia dell'ambiente, sicurezza
• Ambientale: analizzare il contesto ambientale per estrapolarne vincoli e potenzialità

Il territorio

Dopo aver individuato la dimensione dell'ambito del suolo da indagare, si procede analizzando i caratteri funzionali del tessuto urbano e le caratteristiche tipologiche del tessuto edilizio preesistente, traducendo le informazioni acquisite in indicatori di natura prescrittiva o esigenziale. È importante prestare attenzione anche agli elementi di valore paesaggistico, storico e culturale per valutare le possibilità e le potenzialità di trasformazione del territorio e garantire l'armonizzazione dell'intervento col suo contesto.

Per quanto riguarda l'analisi morfologica, essa comprende una descrizione orografica, topografica e idrografica, comprensiva dell'orientamento e della clivometria dei pendii (quelli orientati a Sud ricevono più irradiazione solare) al fine di individuare la distanza minima tra gli edifici affinché uno non proietti ombre sull'altro. Anche la vegetazione è importante oggetto di osservazione e pianificazione per il progettista. Essa influenza infatti vari aspetti quali:

• Microclima
• Irraggiamento solare
• Filtraggio correnti d'aria
• Influenza sull'inquinamento atmosferico e acustico
• Protezione del suolo e della fauna
• Qualificazione visiva

L'assetto geologico e idrogeologico è di particolare rilevanza per lo studio delle fondazioni. Ogni suolo va accuratamente ispezionato tramite una campagna geognostica per identificarne la litostratigrafia e dedurne quindi la capacità portante ed il carico di rottura, nonché il grado di sismicità e il rischio di fenomeni franosi, con la stesura di una relazione geologica che comprenda anche lo studio delle eventuali falde acquifere sottostanti o adiacenti.

Tenuto conto di tutti i fattori rilevanti, si procede alla scelta delle fondazioni più adeguate:

• Fondazioni dirette su terreno resistente poco profondo
  • Continue
  • Discontinue (a pilastri o a plinti isolati)
• Fondazioni indirette su terreno resistente profondo (+ di 5/6 m)
  • A pozzi o piloni
  • A pali portanti
• Fondazioni su terreni di scarsa resistenza
  • Superficiali (a zattera o a platea)
  • Su pali sospesi

Le strutture isostatiche e quelle in muratura possono permettersi modesti cedimenti uniformi, mentre quelle iperstatiche li tollerano meno e non tollerano affatto cedimenti disuniformi né flessioni o torsioni.

L'analisi contestuale del territorio si effettua anche al fine di verificare il grado di inquinamento e radioattività per meglio prevenire gli effetti che questi potrebbero avere sull'edificio. Talvolta prima dell'inizio dei lavori è opportuno un intervento di bonifica o di ripristino ambientale. La radioattività naturale del terreno è causata dall'eventuale emissione di radon (Rn), un gas nobile altamente cancerogeno, la cui concentrazione si misura in becquerel su metro cubo d'aria (Bq/m³). Le aree più a rischio sono quelle vulcaniche. Il radon è in grado di migrare dal suolo fino ai materiali di costruzione e di conseguenza dentro gli ambienti chiusi: questo può essere evitato con adeguate misure di ventilazione o depressurizzazione.

L'analisi del clima

Per tempo meteorologico si intende lo stato dell'atmosfera locale in un dato istante. Per clima si intende invece l'insieme delle condizioni meteorologiche medie che caratterizzano una determinata area geografica riferite ad un periodo di osservazione di 20/30 anni. Ogni luogo può essere indagato anche in scala ridotta per individuarne il microclima, influenzato fortemente dalle caratteristiche topografiche del luogo, dalla vegetazione e dai corpi idrici che ne determinano la termoregolazione.

Conoscere il clima del sito di progetto è fondamentale per la scelta di forma e orientamento del fabbricato, distribuzione interna, tipologia dei materiali, caratteristiche dell'involucro e soluzioni impiantistiche. Si raccolgono a questo proposito informazioni quali:

• Latitudine, longitudine, altezza sul livello del mare
• Temperatura dell'aria (gradi giorno GG)
• Umidità dell'aria
• Pressione atmosferica
• Venti
• Precipitazioni
• Stato del cielo
• Radiazione solare

È d'aiuto la norma UNI 10349 che riporta i dati climatici relativi ai capoluoghi di provincia. Il numero di gradi giorno (GG) è molto importante ai fini progettuali ed è definito dalla sommatoria, estesa ai giorni di riscaldamento annuale, delle sole differenze positive giornaliere tra la temperatura dell'ambiente interno (20 °C) e la temperatura media esterna giornaliera. Dal 1993 il territorio nazionale è suddiviso in zone climatiche dalla A alla F in base al numero di gradi giorno (i gradi giorno salgono muovendosi da sud a nord dello stivale).

L'atmosfera terrestre è l'involucro gassoso che circonda la Terra e che si estende per circa 1000 km, ed è un sistema dinamico in continua evoluzione. L'aria si compone di centinaia di gas ma quelli prevalenti sono l'azoto (78%) e l'ossigeno (21%), seguiti da argon, vapore acqueo e biossido di carbonio (CO₂), in aumento dall'inizio dell'era industriale.

Dal punto di vista termico l'atmosfera è divisibile in 5 strati principali:

• Troposfera <12 km (qui si formano le nubi e gli inquinanti hanno massima concentrazione)
• Stratosfera <50 km
• Mesosfera <90 km
• Termosfera <500 km
• Esosfera >500 km

I venti sono definiti come movimenti d'aria originati dalle differenze di pressione atmosferica dovute a temperatura e umidità. Le masse d'aria si spostano dalle zone a pressione maggiore verso quelle a pressione minore. Per definire un vento occorre conoscerne direzione, intensità e frequenza. Un vento si dice dominante quando in un dato luogo soffia con maggiore intensità, si dice invece regnante se soffia con maggiore frequenza. È detto costante se spira sempre nella medesima direzione e verso e periodico se invece spirano su una stessa direttrice invertendo periodicamente il verso.

Un'altra analisi che porta numerosi benefici è lo studio del soleggiamento, inteso come la quota di irraggiamento solare che interessa una superficie o un involucro, nonché l'energia radiante ad esso associata. La durata del giorno è funzione della latitudine di un dato luogo e del giorno dell'anno scelto. Con l'aumentare della latitudine non solo diminuisce il numero di ore di sole, ma anche l'angolo di elevazione solare: di conseguenza sussiste un decremento dell'energia che raggiunge il suolo, poiché i raggi devono attraversare uno strato di atmosfera più spesso.

La conoscenza del percorso solare è indispensabile per verificare la durata del giorno, nonché per determinare se e quando una porzione di edificio vedrà il Sole e con quale direzione e angolo di incidenza i raggi solari arriveranno. La posizione del Sole rispetto al piano dell'orizzonte viene individuata tramite due angoli:

• Angolo di elevazione solare (h) - compreso tra la retta congiungente l'osservatore e il Sole e la proiezione di tale congiungente sul piano orizzontale
• Azimut (α) – compreso tra la suddetta congiungente e dalla retta che va dall'osservatore al Sud (emisfero settentrionale) o al Nord (emisfero meridionale)

Si definisce Zenit il punto della volta celeste corrispondente perpendicolarmente all'osservatore e angolo zenitale solare la distanza angolare del sole dalla retta OZ.

La descrizione del moto apparente del sole può realizzarsi mediante una carta solare proiettata sul piano orizzontale (diagramma polare) o verticale (diagramma cilindrico). Essi riportano in genere 12 curve di percorso solare, ognuna riferita ad un giorno rappresentativo di un mese. Con tali diagrammi è possibile leggere altezza e azimut del Sole alle diverse ore di tale giorno di ogni mese dell'anno. È importante conoscere anche l'entità della radiazione solare incidente sull'involucro in quanto essa determina gli effetti termici e la quantità di energia captabile da sistemi solari attivi o passivi. [Irradiazione = energia solare / area superficie] → molto più elevata in estate.

Lo spettro delle radiazioni solari si articola a seconda della lunghezza d'onda delle stesse:

• <380 nm: Ultravioletto
• 380-780 nm: Luce visibile
• >780 nm: Infrarosso

Della radiazione complessiva che raggiunge la Terra:

• 30% viene riflessa
• 50% raggiunge la superficie da cui viene assorbita e trasformata in calore
• 20% viene assorbita dall'atmosfera (fenomeno di scattering con la conseguenza che la volta celeste stessa emette una radiazione diffusa oltre a quella diretta del Sole)

[Irradianza solare globale = irradianza diretta + irradianza diffusa + irradianza riflessa]

Illuminazione naturale

L'illuminazione naturale è uno dei principali fattori di benessere negli ambienti. È dovuta ad una quota diretta (che giunge direttamente dal Sole e dalla volta celeste) ed una quota indiretta (dovuta alla riflessione dell'energia radiante sulle superfici, dipendente dal colore delle stesse). A differenza che nello studio del soleggiamento, nello studio dell'illuminazione si considera come fonte luminosa primaria la volta celeste e non il Sole, poiché essa è espressa in termini di luminanza che determina una illuminazione più uniforme e meno abbagliante. Luminanza: intensità luminosa emessa in una determinata direzione da una superficie luminosa o illuminata. Si misura in candele al metro quadrato (cd/m³).

Illuminamento: quantità di flusso luminoso che investe una data superficie. Si misura in lux. Per progettare l'adeguato illuminamento interno è necessario conoscerne i livelli richiesti in base alle attività previste, ricavabili dalla EN 12464, nonché i livelli di luminanza della volta celeste in base al momento dell'anno e del giorno in relazione allo stato del cielo.

Il cielo è classificato in 5 modelli a seconda della luminanza:

• Sereno
• Sereno intermedio
• Coperto intermedio
• Coperto
• Medio (passante da uno stato all'altro velocemente)

Ipotizzando uno stato sereno, in un dato istante i punti della volta celeste hanno una diversa luminanza, ma ogni anno ogni punto del cielo ha la stessa luminanza. La luminanza allo zenit è pari a 3 volte quella all'orizzonte. Il modello di cielo coperto assicura una maggiore uniformità della luminanza e viene preso in considerazione per i calcoli dei valori minimi del fattore medio di luce diurna (FLDm), per garantire gli standard minimi.

Fonti rinnovabili

Dlgs 387/2003: per fonti rinnovabili si intendono le fonti energetiche non fossili, quindi inesauribili: solare (termico, fotovoltaico, termodinamico), eolica, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biogas, biomasse (la parte biodegradabile dei rifiuti industriali, agricoli e urbani, con emissioni di anidride carbonica = 0). In realtà tutte le fonti dipendono dal Sole, fatta eccezione per le maree che dipendono dalla Luna.

Dlgs 192/2005: obbligo di utilizzare fonti rinnovabili per la produzione di energia termica ed elettrica (in quelli di nuova costruzione o di nuova impiantistica va coperto almeno il 50% del fabbisogno annuo di acqua calda e vanno installate microenergie quali dispositivi solari in loco). Questi obblighi comportano importanti ricadute a livello progettuale sotto molti punti di vista, ponendo la necessità di prestare attenzione alle potenzialità del sito e ai suoi vincoli paesaggistici. È bene utilizzare il calore in prossimità del luogo di produzione per evitare la dispersione. L'inclinazione ottimale della superficie captante la luce del Sole è maggiore per l'inverno e minore in estate. Il maggior apporto di radiazione solare annua si ha con una inclinazione di 5/10° minore della latitudine del luogo.