L'ARCHITETTURA BIOCLIMATICA

Per architettura bioclimatica si intende l'architettura finalizzata al raggiungimento del comfort ambientale interno. Essa minimizza i consumi energetici necessari per la climatizzazione (riscaldamento, condizionamento estivo ed illuminazione diurna) e limita, di conseguenza, l'inquinamento dell'ambiente. L'architettura bioclimatica si può intendere, quindi, come un complesso di soluzioni progettuali che consentono di assicurare all'interno di un edificio il mantenimento di condizioni di comfort ambientale, inteso come soddisfacimento dei requisiti di cont rollo del microclima interno degli edifici, della illuminazione naturale degli stessi, limitando al minimo l'intervento degli impianti che comportano consumi energetici da fon ti convenzionali. Tale architettura affida in modo prevalente alla struttura, alla conformazione fisica dell'edificio, al suo orientamento ed al contesto climatico in cui viene realizzato, il compito di captare o rinviare le radiazioni solari e di sfrutta re il microclima locale, ad esempio i venti prevalenti, per ottenere il comfort ambientale. Tra le tecnologie energetiche basate su fonti nuove e rinnovabili, molte hanno un rilievo applicativo nell'architettura bioclimatica e, per converso, essa stessa finisce con il costituire una delle principali risorse nel settore. Tale sviluppo rappresenta quindi una prospettiva assai attraente per il risparmio energetico e la riduzione dell'inquinamento ambientale se si pensa che, ad esempio, in Europa l'energia consumata negli edifici per il riscaldamento, la climatizzazione, l'illuminazione e le funzioni tecnologiche e di servizio copre circa il 40% del consumo di energia primaria. In considerazione della rilevante incidenza che questo settore assume, si presenta di particolare importanza la diffusione dell'architettura bioclimatica attraverso l'impiego di idonee tecnologie ed opportuni criteri di progettazione per le nuove costruzioni e per il recupero energetico di quelle esistenti. Per quanto riguarda quest'ultimo aspetto si può considerare che in Italia nel settore residenziale, dei 18 milioni di alloggi esistenti, almeno 4 milioni e mezzo hanno consumi energetici per il riscaldamento più elevati rispetto alla norma; di questi, almeno 2 milioni presentano reali possibilità di interventi di recupero per una sostanziale riduzione dei consumi energetici. I principi di progettazione bioclimatica non sono un fatto nuovo: essi, infatti, sono stati applicati nel passato in molti esempi di architettura nei quali sia la posizione reciproca degli edifici, sia le caratteristiche costruttive e la scelta dei materi ali erano tali da rendere il microclima interno soddisfacente, senza l'intervento degli impianti. Con l'avvento della rivoluzione industriale iniziò la diffusione degli impianti per la climatizzazione artificiale degli ambienti, anche in relazione alla accresciuta disponibilità delle fonti di energia a basso costo (carbone, petrolio, gas, elettricità, ecc.). In tal modo ebbe inizio l'epoca dello "spreco", che portò ad ignorare qualsiasi intervento che conducesse alla limitazione dei consumi energetici, delegando agli impianti la risoluzione dei problemi legati al comfort ambientale. L'edificio ideale era raffigurato come una sorta di prodotto la cui forma poteva rimanere indifferente rispetto alle condizioni locali e poteva rispondere a stimoli di tipo formale e/o funzionale. L'avvento della crisi energetica ha reso necessario il controllo dei consumi, imponendo ai progettisti l'introduzione di materiali e tecnologie per la conservazione energetica (riduzione delle dispersioni termiche, controllo delle infiltrazioni d'aria ecc .) e l'uso di fonti rinnovabili (sistemi solari attivi e passivi). \par La crisi energetica ha cosi' dato luogo ad un ampio lavoro di ricerca e sperimentazione che ha portato, nello scorso decennio, alla realizzazione di una serie consistente di edifici bioclimatici in tutto il mondo. I criteri di progettazione bioclimatica riguardano quindi il contenimento dei consumi energetici degli edifici, prevalentemente ottenibili, come già detto , attraverso la conservazione dell'energia (isolamento e inerzia termica, controllo dei fenomeni di condensazione, dei ponti termici e delle infiltrazioni/ricambi dell'aria), il riscaldamento solare passivo (con sistemi dire tti, indiretti ed isolati), il raffreddamento passivo (protezione dall'irraggiamento solare, inerzia termica, adozione di sistemi naturali di raffreddamento per ventilazione, irraggiamento notturno ed evaporazione), l'illuminazione naturale (adeguata posi zione e dimensionamento delle superfici trasparenti, adozione di sistemi di riflessione e/o canalizzazione della luce ed elementi olografico ottici) e l'uso dei convertitori fotovoltaici (integrazione di elementi fotovoltaici nell'involucro esterno degli edifici).

  Sistemi solari attivi e passivi

Le strategie d'intervento per sfruttare al meglio le caratteristiche climatiche regionali si differenziano ovviamente a seconda della zona in cui si opera. Anche se in genere si usa distinguere quattro zone climatiche principali, il clima locale deve sempre essere considerato come un fenomeno complesso perchè una strategia che consideri un solo aspetto può portare a dei buoni risultati per un verso, ma risultare negativa per un altro.
Per ogni fascia climatica e ogni situazione esistono opportune tecniche e opportune strategie che devono essere però concepite nel loro insieme e che comunque non devono escludere la possibilità - o la necessità - di essere integrate con i sistemi tradizionali di controllo dell'ambiente interno.
L'energia solare può essere utilizzata in modo attivo o in modo passivo e per questo si vuole distinguere fra energia solare attiva ed energia solare passiva.
Con l'espressione "energia solare attiva" si intende in genere raggruppare tutte le applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia termosolare ) e il settore dell'energia fotovoltaica.
L'energia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro per il tipo di collettore impiegato, il tipo di scambiatore di calore, il modo di immagazzinamento dell'energia ecc. In ogni caso tutti i sistemi attivi, che vengono in genere utilizzati per riscaldare gli ambienti o l'acqua, hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi di immagazzinamento del calore, mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole.
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono, tra gli altri vantaggi, la caratteristica di poter essere integrati con relativa facilità nella struttura
dell'edificio. Esiste quindi la possibilità di creare delle vere e proprie facciate energeticamente attive, senza rinunciare alla qualità stilistica e architettonica dell'edificio e contemporaneamente realizzando un manufatto con un ridotto impatto ambientale in termini di emissioni inquinanti.
Con l'espressione "energia solare passiva" si intende in genere raggruppare tutte le applicazioni in cui l'energia solare viene utilizzata senza alcun ausilio motorizzato e in cui la distribuzione del calore prodotto avviene grazie ai fenomeni naturali della conduzione, della convezione e dell'irraggiamento, anzichè mediante l'utilizzazione di pompe o ventole.
Nella gestione di un edificio o di un'abitazione, le strategie solari passive, con diverse varianti, possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere tre obbiettivi principali:
1) Per il riscaldamento di un edificio, soprattutto nei climi freddi, attraverso l'accumulo, la distribuzione e la conservazione dell'energia termica solare.
Al fine di raggiungere questo scopo, le principali tecniche passive prevedono l'impiego di muri termoaccumulatori, di un ottimo isolamento, di una notevole massa termica, di sistemi di preriscaldamento dell'aria, di superfici vetrate esposte a Sud, di vere e proprie serre addossate all'edificio e altri accorgimenti ancora.
2) Per il raffrescamento naturale di un edificio, grazie alla ventilazione naturale, alla schermatura e all'espulsione del calore indesiderato verso dissipatori di calore ambientali ( aria, cielo, terra,acqua ). Le principali tecniche impiegate in questo caso prevedono soprattutto l'utilizzo di condotte d'aria interrate, di camini solari, di una buona massa termica, della ventilazione indotta, di protezioni dall'irraggiamento diretto e di sistemi per la deumidificazione o per l'evaporazione dell'acqua.
3) L'altro importante contributo passivo che si può ottenere dall'energia solare riguarda l'illuminazione diurna di un edificio, sfruttando sia la luce solare diretta sia quella diffusa dalla volta celeste. Per incrementare la luminosità e
favorire la penetrazione della luce naturale all'interno degli edifici sono molto importanti l'illuminazione zenitale, le condotte di luce, la capacità di diffusione luminosa dei materiali e i meccanismi per l'inseguimento solare.

Altezza solare e coordinate geografiche sono alla base della progettazione bioclimatica



Criteri bioclimatici utilizzati in sistemi costruttivi primitivi


Sistemi di ventilazione per il riscaldamento e il raffreddamento passivo (BubinessCentre-Friburg sopra e Commerzal Bank -Francoforte sotto - di Norman Foster)

Esempio di sistemi solare passivo




Muro termico: schema di funzionamento estate-inverno.




Muro Trombe: schema di funzionamento estate-inverno.




Sistema Barra-Costantini: schema di funzionamento estate-inverno.




Interazione si sistemi solari passivi ed attivi in sezione di facciata (Business Centre - Friburg- Norman Foster)





Torri evaporative: schema di funzionamento della ventilazione naturale e raffreddamento evaporativo




EXPO' 2000 di Siviglia: torri evaporative





 

 Modellazione dei flussi energetici

Il riscaldamento solare passivo. Nella stagione fredda, l'energia solare può dare un contributo significativo al fabbisogno energetico degli edifici. A tal fine vengono utilizzati i seguenti meccanismi:
- la captazione solare, in cui l'energia solare captata viene trasformata in calore;
- l'accumulo termico, in cui il calore captato durante il giorno viene accumulato per un uso successivo;
- la distribuzione del calore, in cui il calore captato/accumulato viene indirizzato alle parti dell'edificio che è necessario riscaldare;
- conservazione del calore, in cui il calore è mantenuto nell'edificio il più a lungo possibile.
I sistemi solari passivi si dividono in diretti, indiretti ed isolati.
Il sistema diretto, quello più comune, presenta ampie vetrate esposte a sud, aperte direttamente sull'ambiente interno, che dispone di sufficienti masse di accumulo termico.
I principali sistemi indiretti sono: il muro termico, il muro di Trombe e le serre.
Nel muro termico l'accumulo è costituito dalla parete di consistente massa termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni termiche. Il calore captato viene trasmesso per conduzione, con un certo ritardo, attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento ) all'ambiente interno.
Gli elementi di accumulo, a calore sensibile, comunemente adottati, sono costituiti da pareti e/o solai aventi una adeguata capacità termica, nonchè in alcuni casi anche accumuli ad acqua, a sassi e nel terreno.
Oltre al trasferimento del calore per conduzione come nel muro termico, il muro Trombe consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione all'ambiente retrostante attraverso delle aperture poste nella parte bassa ed in quella alta della parete.
La serra è costituita da una chiusura vetrata sulla facciata sud avente una massa di accumulo nella parete di separazione o comunque all'interno della serra stessa. La serra viene usata per il preriscaldamento dell'aria di rinnovo.
L'uso di isolamenti mobili durante il periodo notturno aumenta in tutti i sistemi citati il rendimento energetico.
Nei sistemi isolati (fig.3) la superficie di captazione è separata dall'accumulo termico, il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per termocircolazione naturale o anche direttamente, sempre per termocircolazione, dalla captazione allo spazio abitato.
Un esempio di sistema isolato è costituito dal sistema Barra-Costantini che si può schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud dell'edificio. L'aria riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la struttura. Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo) con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) all'accumulo (soffitto) e all'ambiente interno.
Talvolta i diversi sistemi possono integrarsi tra loro per ottimizzare la copertura del fabbisogno energetico nel corso della giornata.
Il raffreddamento passivo. L'importanza del raffrescamento passivo è motivata dal fatto che il fabbisogno di raffreddamento degli edifici è aumentato rapidamente negli ultimi anni, creando importanti problemi ambientali, economici, di salute e soprattutto di consumi elettrici.

La ventilazione naturale agisce sul benessere attraverso due meccanismi, uno indiretto e l'altro diretto: il primo influenza il bilancio termico dell'edificio, il secondo quello dell'individuo (consentendo di incrementare gli scambi convettivi tra uomo e ambiente con conseguenze positive sul benessere termico). Il termine "ventilazione" viene usato per definire tre diverse funzioni: l'approvvigionamento di aria fresca, la rimozione del calore da un ambiente attraverso il ricambio dell'aria e il raffreddamento fisiologico.
La ventilazione naturale dà luogo a reffreddamento tramite le correnti d'aria generate da fenomeni naturali come l'azione del vento e l'effetto camino.
È necessario precisare che sia l'azione del vento che l'effetto camino influenzano la ventilazione degli edifici; in particolare, la prima viene molto influenzata dalle condizioni anemologiche del luogo, mentre il secondo dall'altezza degli ambienti o degli elementi dedicati (torri del vento, camini solari, intercapedini ventilate, ecc.).
Le torri del vento iraniane sono elementi autonomi integrati nell'edificio con la funzione di generare un movimento d'aria al loro interno e costituiscono una indicazione efficace per il raffreddamento degli edifici in climi caldi aridi.
Nel suo funzionamento notturno la torre si raffredda poichè la sua massa muraria cede calore all'aria (in essa contenuta) che si riscalda. Si genera quindi, un moto ascensionale dell'aria che, richiamata da aperture poste alla base dell'edificio, favorisce il raffreddamento dell'edificio e soprattutto della torre stessa che funge da accumulo di freddo. Di giorno, l'aria calda esterna, venendo a contatto con la massa muraria della torre, si raffredda ed aumentando di conseguenza la sua densità, scende verso il basso, entrando nell'edificio e provocandone il raffreddamento.
Tale meccanismo di funzionamento, accelerato dall'azione del vento, ha presentato interessanti soluzioni in climi caldi pervenendo a soddisfacenti risultati di integrazione architettonica.
Il raffreddamento evaporativo sfrutta l'abbassamento di temperatura dell'aria che si verifica a seguito dell'evaporazione dell'acqua. Tale evaporazione diminuisce all'aumentare dell'umidità relativa dell'aria, fino ad annullarsi per alti valori (condizioni di saturazione) di quest'ultima. Tale possibilità di raffreddamento, che veniva anche utilizzata nelle torri del vento iraniane, può avere varie possibilità di applicazione, sia negli ambienti interni, sia in quelli esterni. Tali torri , di forma conica ed alte trenta metri, hanno nelle sommità degli spruzzatori d'acqua che, a seguito dell'evaporazione, raffreddano l'aria presente nella parte alta della torre che aumentando di conseguenza la sua densità scende verso il basso raffreddando l'aria del sottostante spazio esterno (fig. 5 ).
Per quel che riguarda l'Illuminazione naturale, nuove tecniche sono particolarmente utilizzate nella progettazione di ambienti che hanno un uso prevalentemente diurno, come uffici, scuole, edifici commerciali, industriali e ospedali, per i quali l'entità di consumi energetici derivanti dall'illuminazione artificiale ne rende più evidenti i vantaggi economici. Le moderne tecniche di daylighting vengono applicate negli edifici di abitazioni essenzialmente per ragioni estetiche e di benessere.
Le caratteristiche principali che rendono preferibile la luce naturale a quella artificiale sono il suo rendimento nella percezione del colore e le variazioni nel tempo di colore, contrasto e luminanza (brillanza luminosa) di ogni superficie, caratteristiche che non possono essere simulate da nessun tipo di sorgente artificiale. Inoltre il flusso solare incidente, ad esempio in un m² di finestra, è dell'ordine di alcune decine di migliaia di lumen, quanto basterebbe, se opportunamente distribuito, ad illuminare varie decine di metri quadrati di superficie di lavoro (i livelli di illuminazione richiesti sul piano di lavoro vanno da un minimo di 100 lumen /m² per le aree di servizio ad un massimo di 1.500 lumen/m² per le attività di alta precisione).
Il flusso luminoso all'interno dell'edificio varierà a seconda del posto in cui si trova l'edificio stesso, l'ora del giorno, il periodo dell'anno, le condizioni climatiche del luogo, da come l'edificio è circondato nelle immediate vicinanze (presenza di ostruzioni naturali o artificiali) e dall'indice di riflessione delle superfici interne ed esterne. Per ottenere buoni livelli di comfort visivo (ambienti in cui la ricezione dei messaggi visivi non è disturbata), è necessario assicurare buoni livelli di comfort luminoso all'interno degli spazi ed evitare assolutamente il cosiddetto fenomeno di abbagliamento, situazione creata dalla presenza nel campo visivo di superfici o punti con luminanza molto superiore a quella a cui l'occhio è abituato.

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