COSTRUIRE E ABITARE SUL LAGO: …...POLITECNICO DI MILANO FACOLTÀ DI ARCHITETTURA E SOCIETÀ MILANO...

POLITECNICO DI MILANO

FACOLTÀ DI ARCHITETTURA E SOCIETÀ MILANO LEONARDO

CORSO DI LAUREA IN ARCHITETTURA

BEST - Building Environment Science & Technology Dipartimento di Scienza e Tecnologie dell’Ambiente Costruito

COSTRUIRE E ABITARE SUL LAGO: UN’ARCHITETTURA RESIDENZIALE TRA NATURA,

ECOCOMPATIBILITÀ E TECNOLOGIE CONSAPEVOLI

Tesi di Laurea di Giovanna Guizzetti

Relatore Prof. Arch. Emilio Faroldi

Correlatore

Arch. Mauro Trapani

Anno Accademico 2003/2004

INDICE

3

9

15

13

14 14 14 14 15 15 15

15 16 16 17 17

17 18 18

21

22

22 22

23 23 24 25

25

27 28 34 39

Indice

Contenuti della tesi

Obbiettivi, strumenti e metodo

1 Clima e benessere ambientale

1.1 Il clima 1.1.1 Temperatura 1.1.2 Precipitazioni 1.1.3 Umidità 1.1.4 Stato del cielo 1.1.5 Radiazione solare 1.1.6 Vento

1.2 Il microclima 1.2.1 Morfologia del territorio 1.2.2 Suolo 1.2.3 Masse d’acqua 1.2.3 Vegetazione

1.3 Il benessere termoigrometrico 1.3.1 Le interazioni termiche tra uomo e ambiente 1.3.2 Il comfort adattativo

2 L’aria: la ventilazione naturale negli edifici

2.1 La ventilazione naturale: principi base

2.2 Sistemi archetipici di ventilazione naturale 2.2.1 Il tepee

2.3 La ventilazione naturale nell’architettura tradizionale: le torri del vento in Medioriente

2.3.1 Il malqaf 2.3.2 Il qà’a 2.3.3 Il bad-ghir

2.4 La ventilazione naturale nell’architettura contemporanea

2.5 Paradigmi 2.5.1 Manifesto dell’architettura naturale:

Arup Associates, Solihull Campus, Solihull, 2001

2.5.2 La funzione definisce la forma: R. Rogers Partnership, Lloyd’s Register of Shipping, Liphook, 2000

2.5.3 Il primo grattacielo ecologico : N. Foster & Partners, Commerzbank, Francoforte, 1996

4

2.5.4 L’importanza dell’involucro: M. Hopkins & Partners, New Parliamentary Building, Londra, 2000

2.5.5 L’università sostenibile: M. Hopkins & Partners, Jubilee Campus, Università di Nottingham, Nottingham, 1999

3 L’acqua: il raffrescamento evaporativo

3.1 Il raffrescamento evaporativo nell’architettura tradizionale 3.1.1 La tradizione islamica

3.2 Il raffrescamento evaporativo associato alla ventilazione nell’architettura tradizionale: il palazzo della Zisa di Palermo

3.3 Il raffrescamento evaporativo associato alla ventilazione nell’architettura contemporanea: principi e tecnologie 3.3.1 Sistemi diretti 3.3.2 Sistemi indiretti

3.4 Paradigmi 3.4.1 Gli uffici sull’acqua:

Kiessler & Partners, Science & Technology Park, Gelsenkirchen, 1995

3.4.2 Torri del vento contemporanee: M. Cucinella, Edificio per uffici, Catania, 1998

4 La terra: il raffrescamento per scambio termico con il terreno 4.1 Lo scambio termico con il terreno nell’architettura

tradizionale 4.1.1 L’edificio ipogeo 4.1.2 I “Sassi” di Matera 4.1.3 La camera dello Scirocco in Sicilia 4.1.4 Le torri del vento in Iran 4.1.5 I “Covoli” di Custozza

4.2 Lo scambio termico edificio- terreno: principi e tecnologie 4.2.1 Contatto diretto 4.2.2 Accoppiamento indiretto

4.3 Il raffrescamento per scambio termico con il terreno nell’architettura contemporanea: potenzialità e applicazioni

5

3

4

8

3

49

56

63

664 4

65

67 668 7

69 70 75 81 82 882 2

82 83 83

85 85 86

45 51

59

60 60 61

63 63 64 65 66 71 77 78 78 78 78 79 79

81 81 82 83

4.4 Paradigmi 4.4.1 L’ “Air Lake”:

M. Cucinella, Università di Cipro, Nicosia, 1992

4.4.2 La “memoria termica” del sottosuolo: M. Nodari, M. Gasparotti, Edificio per ergoterapia, Darfo Boario Terme, 2000

5 Il sole: il controllo della radiazione solare

5.1 Il controllo solare nell’architettura tradizionale 5.1.1 La tipologia a patio nell’area del

Mediterraneo 5.1.2 La mashrabìya nella tradizione mediorientale

5.2 Il controllo della radiazione solare per il raffrescamento passivo

5.3 Sistemi di schermatura 5.3.1 Frangisole 5.3.2 Schermi integrati nell’infisso

5.4 Il controllo solare nell’architettura contemporanea

5.5 Paradigmi 5.5.1 Elogio della leggerezza:

N. Foster & Partners, Liceo A. Camus, Frejus, 1993

5.5.2 La tecnologia al servizio dell’ambiente: M. Cucinella, Sede centrale IGuzzini Illuminazione, Recanati, 1998

5.5.3 Il sole in casa: T. Herzog, Residenza privata, Regensburg, 1979

5.5.4 Una corte per il controllo ambientale: R. Rogers Partnership, Edificio Daimler-Chrysler, Potsdamer Platz, Berlino, 1999

6 Il ruolo della massa termica dell’edificio

6.1 Il ruolo della massa termica nell’architettura tradizionale 6.1.1 Il trullo 6.1.2 Il dammuso

6.2 Il controllo dell’inerzia termica di un edificio

6.3 Il raffreddamento convettivo notturno: principi e tecnologie

6

85 86 92 99

100 100 100

101

102 103 105

107

108 109 115 121 127 133

134 134 134

135

135

137

139 140 147

153

154 154 154 154 154 154 155

157 157 158

159 159 160 160 161

161 161 162 163 164 164 165 165 166 166 166 167 167

6.4 Il raffreddamento convettivo notturno nell’architettura contemporanea: potenzialità e applicazioni

6.5 Paradigmi 6.5.1 I caratteri ambientali dell’architettura:

M. Hopkins & Partners, Inland Revenue Center, Nottingham, 1995

6.5.2 Lo sfruttamento dell’escursione termica: A. Tombazis & Associates, Edificio per uffici Meletitiki LTD, Atene, 2000

7 Progettare con la ventilazione naturale

7.1 Progettazione della ventilazione 7.1.1 Strategie di ventilazione

7.1.1.1 Ventilazione naturale 7.1.1.2 Ventilazione meccanica 7.1.1.3 Ventilazione ibrida

7.1.2 Strategie di controllo 7.1.3 Criticità nei confronti della ventilazione

naturale

7.2 Progettazione del sito 7.2.1 Esposizione al vento 7.2.2 Disposizione della vegetazione

7.3 Progettazione dell’edificio 7.3.1 Forma dell’edificio ed orientamento rispetto

al vento 7.3.2 Forma del tetto 7.3.3 Articolazione dell’involucro edilizio 7.3.4 Distribuzione degli spazi interni

7.4 Progettazione dei componenti dell’involucro edilizio per la ventilazione 7.4.1 Aperture esterne trasparenti

7.4.1.1 Posizione delle aperture 7.4.1.2 Area di apertura 7.4.1.3 Tipologia e geometria delle

aperture 7.4.2 Trickle ventilators 7.4.3 Aperture automatiche 7.4.4 Aeratori o bocchette di ventilazione 7.4.5 Altri componenti

7.4.5.1 Condotti 7.4.5.2 Ventilatori 7.4.5.3 Depuratori elettrostatici 7.4.5.4 Recuperatori di calore

7

167 167 168 168 169 169 170 170 173 179

180

181

181

182

185 185 186 189 195

195

195

196

7.5 Supporti per la progettazione 7.5.1 Metodi per il calcolo dei flussi d’aria

7.5.1.1 Metodi empirici 7.5.1.2 Modelli a rete 7.5.1.3 CFD (Computational fluid

dynamics) 7.5.2 La normativa

7.5.2.1 Qualità dell’aria 7.5.2.2 Comfort termico

8 Tavole sinottiche riassuntive 9 Il progetto

9.1 Il luogo di progetto

9.2 Aspetti morfologici

9.3 Aspetti tipologici-distributivi

9.4 Strategie ambientali e aspetti tecnologici

9.5 Allegati 9.5.1 “2003 Design Competition for an Ecohouse”:

bando di concorso 9.5.2 Dati climatici dell’area di progetto 9.5.3 Intervista a Mario Cucinella

10 Bibliografia ragionata

10.1 Progetto e ambiente

10.2 Ventilazione naturale e raffrescamento passivo

10.3 Paradigmi

8

Contenuti della tesi L’oggetto della tesi è la progettazione di una residenza monofamiliare ecosostenibile, situata sulle pendici dei rilievi prealpini che circondano il lago d’Iseo. Il tema progettuale nasce dalla partecipazione a un concorso internazionale per studenti, il “2003 Design Competition for an Ecohouse”, promosso dalla Oxford Brookes University. Il bando di concorso specificava che il contesto dovesse essere la città o il paese di appartenenza dello studente, auspicando che la conoscenza del contesto ambientale e climatico diventasse un elemento indispensabile per una corretta progettazione nell’ottica dell’ eco-sostenibilità. Il progetto, affrontato in fase preliminare per l’esito concorsuale, è stato approfondito durante il corso della tesi affrontando in particolare il tema del comfort estivo attraverso l’utilizzo della ventilazione naturale. Il tema del raffrescamento passivo, apparentemente di competenza tecnico-impiantistica, sta riscontrando un crescente interesse da parte di molti progettisti a livello internazionale, nel clima più generale di crescente sensibilità nei confronti del rispetto dell’ambiente e dell’efficienza energetica, aspetti strettamente legati all’architettura. La ventilazione naturale, così come tutti i sistemi di climatizzazione passiva, implica una nuova concezione dell’edificio, “aperto” verso l’esterno, come organismo in grado di riconoscere e metabolizzare le risorse del suo ambiente utilizzandole al meglio per contribuire in modo significativo al controllo naturale degli spazi interni. Si determina così un rapporto intenso tra architettura e ambiente, contrariamente a quanto è avvenuto negli anni ’60 e ’70, che hanno avuto come esito un’architettura dissipativa delle risorse, con microclima controllato mediante il ricorso alla componente impiantistica e un conseguente elevato flusso di inquinamento. L’ apertura dell’edificio nei confronti dell’ambiente rende l’architettura più simile ad un organismo naturale, capace di reagire alle condizioni climatiche esterne, e capace di mettere in atto strategie diverse a seconda delle esigenze e delle situazioni: in quest’ottica il ruolo della tecnologia non è più quello di una sorta di “risolutore universale”, un valore aggiunto all’architettura ma uno strumento flessibile integrato nell’architettura che si evolve verso la complessità della natura.1

La progettazione dell’edificio è la chiave per far fronte a questa complessità, integrando le diverse strategie ambientali nel disegno dell’architettura, dalla scelta dell’esposizione e della forma, allo studio dell’involucro, dei sistemi di schermatura, delle parti trasparenti,ecc. Nella presente tesi, la progettazione di una residenza ecosostenibile si confronta con questi temi, con l’obbiettivo di sfruttare gli elementi naturali del sito, il sole, il terreno, e in

9

1 Dall’intervista a Mario Cucinella, vedi allegato.

particolar modo l’aria, per migliorare il comportamento dell’edificio, garantire un buon livello di comfort degli ambienti interni all’insegna di una maggiore interazione tra edificio e ambiente.

10

Obiettivi, strumenti e metodo La tesi si apre con un capitolo su clima e benessere ambientale, in cui vengono richiamati i fattori ambientali che rappresentano gli elementi contestuali tipici della progettazione architettonica, e l’azione che essi hanno sul microclima, ambito che influisce sulle condizioni di benessere termico dell’uomo. Il tema della ventilazione naturale come strategia ambientale è legata ad altre strategie progettuali che migliorano il comportamento energetico dell’edificio. In relazione a ciò la tesi si struttura in quattro capitoli, ognuno dedicato a un elemento naturale: aria, acqua, sole e terra, affrontati per quegli aspetti che più direttamente si legano alla ventilazione. Il capitolo sulla massa termica, aspetto che invece è relativo all’edificio, è strutturato in maniera analoga a quelli sugli elementi naturali. Per ogni tema sono stati analizzati le caratteristiche principali, per esempio le potenzialità di raffrescamento dell’acqua o l’effetto di smorzamento delle temperature del terreno, i sistemi di applicazione di tipo passivo, ed esempi di componenti edilizi o architetture tradizionali del passato di particolare interesse. La fase di ricerca è stata rivolta poi al contesto architettonico contemporaneo, riferimento indispensabile per la progettazione: sono state selezionate esperienze progettuali significative a livello internazionale, per la maggior parte realizzate negli ultimi 10 anni. I casi studio sono stati analizzati in base alle strategie ambientali adottate in relazione al contesto, dalla ventilazione naturale all’ uso di luce naturale, dal tipo di involucro alla presenza di sistemi di controllo solare; all’utilizzo di sistemi passivi o ibridi per la movimentazione e il raffrescamento dell’aria; alla presenza di sistemi solari passivi o attivi. Il capitolo dedicato alla progettazione riassume le informazioni raccolte durante la ricerca svolta in parallelo alla fase progettuale vera e propria della tesi: si tratta di una serie di indicazioni, che riguardano sia la fase preliminare che quella esecutiva, dalla progettazione del sito a quella dell’edificio ( esposizione e forma), fino alla scelta della strategia di ventilazione e dei relativi componenti dell’involucro. La tesi si conclude con un’intervista, realizzata in occasione del presente lavoro, a Mario Cucinella, un giovane progettista italiano che pone concretamente la sostenibilità come elemento di base del proprio progettare e costruire, mantenendo il fermo obbiettivo del raggiungimento delle migliori condizioni di comfort per chi vive negli edifici. Il colloquio, a partire dall’uso degli elementi naturali integrati nel progetto fino ad arrivare al tema della ventilazione naturale, fa emergere riflessioni interessanti sul rapporto sempre più stretto tra architettura e ambiente.

11

CAPITOLO I

CLIMA E BENESSERE AMBIENTALE

1.1 Il clima

I principali parametri climatici che influenzano la progettazione architettonica sono: - la temperatura dell'aria; - le precipitazioni; - l'umidità relativa; - lo stato del cielo; - la radiazione solare; - il regime dei venti. Per temperatura dell'aria s'intende lo stato termico dell'atmosfera esistente in un punto ed in un determinato momento temporale. I valori più frequentemente utilizzati sono quelli della temperatura media giornaliera o quelli della temperatura media mensile. L'aria viene scaldata per reirraggiamento e convezione dalla superficie terrestre, e solo in minima parte direttamente dai raggi solari. La temperatura della superficie terrestre dipende dal bilancio energetico tra la radiazione solare assorbita dalla crosta terrestre e quella emessa sotto forma di energia infrarossa nell'atmosfera. La temperatura dell'aria di un microclima è condizionata fortemente da fattori di tipo meteorologico e topografico. In particolare, i principali fattori condizionanti sono lo stato del cielo, il vento, l'altitudine ed i rilievi, la natura del suolo, i corpi d'acqua, l'orientamento dei pendii e la vegetazione presente. La temperatura inoltre varia con la latitudine. Infatti la temperatura del suolo, che determina poi la temperatura dell'aria, diminuisce proporzionalmente dalla distanza dell'equatore.

Le aree urbane hanno un effetto rilevante sul clima: d'inverno la temperatura è mediamente superiore di circa 2°C rispetto alla campagna circostante, mentre d’estate la differenza può essere ancora più accentuata. Questo effetto è dovuto sia all'esistenza di fonti di calore, che alla capacità di assorbimento ed accumulo termico da parte dei materiali edilizi. Per precipitazione s'intende qualunque stato fisico dell'acqua che raggiunge la superficie terreste; i parametri principali di misurazione sono la quantità e la frequenza. La quantità si valuta calcolando lo spessore dello strato di acqua che si formerebbe su un terreno perfettamente piano, senza assorbimento ne’ evaporazione. Per frequenza s'intende il numero di giorni in cui si verifica la precipitazione all’interno di un certo intervallo temporale. Per umidità s'intende la quantità di vapore acqueo contenuto nell'atmosfera; viene generalmente espressa come umidità relativa. L’umidità relativa rappresenta il rapporto tra la quantità di acqua presente nell’aria e la quantità massima che essa

14

Temperatura dell'aria
Precipitazioni Umidità

potrebbe contenere in condizioni di saturazione alla medesima temperatura. L'umidità riveste particolare importanza nel condizionamento estivo degli ambienti e, insieme alla temperatura dell'aria, è uno dei parametri che influiscono maggiormente sul comfort delle persone. Si definisce stato del cielo la quantità di cielo coperto da nubi in un dato istante ed in un determinato punto di rilevazione. In base alla quantità media di cielo coperto rilevato, i giorni si classificano in sereni, misti e coperti. Lo stato del cielo è uno dei fattori meteorologici principali che modificano la temperatura dell'aria di un luogo. Infatti uno stato del cielo sereno produce l'effetto di forti escursioni termiche nel corso della giornata in quanto consente il passaggio di una grande quantità di radiazione solare incidente ed un facile reirraggiamento verso lo spazio dell’energia assorbita dalla crosta terreste. Per radiazione solare s'intende il flusso di energia emesso dal sole. La radiazione solare attraversando gli strati atmosferici subisce diversi effetti: una quota viene riflessa verso lo spazio, una diffusa in tutte le direzioni, una assorbita ed infine, una parte, denominata radiazione solare diretta, raggiunge direttamente la superficie terrestre.

Secondo valutazioni teoriche, ponendo uguale a 100 il valore della costante solare, la radiazione totale sulla terra, in condizioni di cielo sereno, è pari a 68. Tale percentuale viene in parte riflessa (albedo) ed in parte assorbita. La parte assorbita, che si trasforma in calore, fa aumentare la temperatura dell'aria, del suolo, e degli oggetti circostanti. Il vento è costituito da spostamenti di masse d'aria causati dalle differenti pressioni atmosferiche di due zone limitrofe, dovute all'ineguale riscaldamento della crosta terreste ad opera della radiazione solare incidente. Tanto maggiore è tale differenza, tanto più veloce è lo spostamento delle masse d'aria. Il vento è caratterizzato da tre parametri: la velocità, la direzione e la frequenza. A livello di microclima, rivestono particolare importanza le brezze costiere e quelle montane. Le brezze costiere sono generate dal diverso riscaldamento della terra e della massa d’acqua. Il riscaldamento delle masse d’aria che sovrastano la terra durante la giornata, e la conseguente diminuzione di densità, determinano un moto convettivo verticale che richiama l’aria più fredda che si trova sopra le masse d’acqua.

1.2 Microclima

Ai fini della progettazione edilizia-urbanistica il sistema climatico di interesse specifico è il microclima, le cui caratteristiche

15

Stato del cielo
Radiazione solare
Vento

condizionano fortemente le scelte progettuali finalizzate al comfort e al benessere ambientale. Il microclima dell’intorno costruito è l’unico che può essere influenzato dall’intervento umano e in qualche modo controllato al fine di creare condizioni di benessere termoigrometrico all’interno, o all’esterno, di un edificio. Il microclima è fortemente condizionato da fattori geografici locali quali:

• la morfologia del territorio • il suolo • le masse d’acqua • la vegetazione

Le componenti principali che costituiscono la morfologia di un territorio sono: l'altitudine, l'orientamento dei pendii e i rilievi. L'altitudine è l'altezza di un punto nello spazio rispetto al livello del mare; tale grandezza influenza il valore della temperatura dell'aria. In estate, la temperatura varia di circa 1°C ogni 180 m di dislivello; mentre in inverno ogni 220m. Le variazioni di temperatura sono inversamente proporzionali al variare dell'altitudine. I rilievi, agendo come dighe, impediscono, nelle ore notturne, che flussi d'aria calda possano lambire il terreno; ciò provoca la formazione di laghi di aria fredda. Inoltre i rilievi influenzano i microclimi modificando la velocità e la direzione dei venti. L'orientamento dei pendii condiziona la temperatura dell'aria; i pendii orientati a sud ricevono una maggiore quantità di radiazione solare e quindi determinano una temperatura locale più elevata. In un territorio dove due luoghi relativamente vicini sono situati su pendii aventi diverse esposizioni, sono caratterizzati da notevoli differenze microclimatiche. Il suolo riveste particolare importanza ai fini del microclima, in quanto la temperatura dell'aria di un luogo è determinata dallo scambio di calore con il terreno. I terreni aridi determinano temperature più elevate e minore umidità; al contrario dei terreni umidi dove si hanno temperature più basse ed umidità elevata. Il microclima presente al di sopra di un terreno spoglio è caratterizzato da notevoli escursioni termiche giornaliere; mentre, se il suolo è erboso, la superficie d'erba in estate assorbe la radiazione solare ed i processi di evaporazione abbassano la temperatura dell'aria. Ogni tipo di suolo o vegetazione ha dei valori di riflessione e di assorbimento della radiazione solare caratteristici (Tab.1). Per effetto albedo s'intende la quota della radiazione solare diretta e diffusa che viene riflessa dal terreno e dagli oggetti circostanti.

16

Morfologia del territorio

Suolo

Superficie Albedo

Neve 0,75 Specchio d’acqua 0,1 Terreni di varia natura, argilla 0,14 Boschi in autunno 0,26 Campi con messi, piante 0,26 Asfalto 0,1 Cemento 0,22 Tetti con bitume e pietrisco 0,13 Superficie in pietra 0,2 Mattoni, intonaci scuri 0,27 Mattoni chiari, intonaci chiari 0,6 Tabella 1 Albedo di diverse superfici naturali ed architettoniche Gli effetti della presenza di masse d’acqua sul microclima sono connessi alle differenti proprietà termiche dell’acqua e del terreno: l’acqua ha capacità termica superiore; se irraggiata, tende a riscaldarsi più lentamente del terreno, ma rilascia più lentamente il calore accumulato. Ciò produce un’attenuazione delle escursioni termiche, sia giornaliere che stagionali, innescando inoltre un regime di brezze locali. Per quanto riguarda l'influenza sul microclima la vegetazione assume una notevole importanza per i seguenti aspetti:

• l'ombreggiamento di percorsi e degli edifici; • l'effetto frangivento; • l’azione di raffrescamento naturale.

L'effetto di ombreggiamento sul suolo è modesto per le chiome a forma fusiforme ed ovoidale, mentre è sensibile per quelle sferoidale, conica e emisferica. Le alberature a foglia caduca hanno il vantaggio di permettere l’irraggiamento invernale e l’ombreggiamento estivo. Gli effetti positivi di una barriera frangivento costituita da alberi opposti alla direzione del vento freddo dominante (riduzione del carico termico dell'edificio, riduzione della pressione sugli infissi esterni) dipendono dall'altezza della barriera, dalla densità degli alberi e dalla configurazione della specie arborea utilizzata.

1.3 Il benessere termoigrometrico

L’uomo ha la capacità di mantenere la temperatura interna del corpo pressoché costante, attraverso un meccanismo di termoregolazione che garantisce l’equilibrio tra l’energia generata dal metabolismo e quella dissipata. La sensazione di benessere degli individui è una diretta conseguenza delle sollecitazioni alle quali viene sottoposto il meccanismo di termoregolazione. Il corpo umano può essere visto come un sistema termodinamico: al fine di mantenere le condizioni di

17

Masse d'acqua

Vegetazione

comfort termico, il corpo deve bilanciare il calore prodotto con quello ceduto all’ambiente, mentre reagisce alle condizioni ambientali a cui è sottoposto. L’equazione del bilancio termico del corpo umano soggetto ad una lunga esposizione in un ambiente in condizioni stazionarie, può essere così descritta:

M-Edif-Eevap-Eresp-Er-Ec=0 M = calore prodotto dal corpo umano per effetto del metabolismo Edif = calore ceduto per effetto della traspirazione della pelle Eevap = calore ceduto per effetto della evaporazione Eresp = calore ceduto per effetto della respirazione Er = calore ceduto per effetto della radiazione (infrarosso) dalla superficie esterna del corpo vestito Ec = calore ceduto per convezione dalla superficie esterna del corpo I fattori esterni che determinano condizioni di comfort sono:

• la temperatura dell’aria • l’umidità relativa • la velocità del aria

La temperatura dell’aria è l’elemento più importante ed immediato nella determinazione del benessere termico. Diversi fattori hanno incidenza sui meccanismi di scambio termico, alcuni di tipo ambientale (temperatura interna delle superfici, temperatura interna radiante), altri di tipo fisico (forma e dimensione degli ambienti), altri di tipo tecnologico (sistemi di riscaldamento), e altri ancora comportamentali (abbigliamento, tipo di attività svolta). L’effetto combinato di questi parametri è un ulteriore elemento che determina la sensazione di benessere o disagio. L’umidità relativa è legata alla temperatura dell’aria e alla regolazione evaporativa del corpo umano; al crescere della temperatura ambiente aumenta la perdita di vapore acqueo da parte del corpo umano. Ad alte temperature il raffrescamento evaporativo è lo strumento più importante che il nostro corpo attiva per equilibrare lo scambio termico. La ventilazione è un parametro importante perché agisce direttamente sul comfort degli individui. Il movimento d’aria intorno ad un corpo di un individuo ne influenza il comfort termico, agendo sugli scambi di calore per convenzione tra corpo ed aria, nel processo di traspirazione della pelle. Gli scambi convettivi sono direttamente proporzionali alla velocità dell’aria e alla differenza di temperatura tra le pelle e la temperatura dell’aria stessa. Le norme sul comfort termico, quali la norma americana ASHRAE 55-1996 "Thermal environment conditions for human occupancy" e la norma italiana UNI EN ISO 7730-1997 "Ambienti termici moderati - Determinazione degli indici PMV e PPD e specifiche per le condizioni di benessere termico" si basano su un modello "statico" di comfort termico che vede l'occupante come un passivo contenitore di stimoli termici e il cui

Comfort “adattativo”

Le interazioni termiche tra uomo ed ambiente

18

giudizio soggettivo è considerato unicamente come espressione del bilancio termico corpo-ambiente circostante e valido quindi in qualsiasi tipo di edificio, in tutti i climi, per tutte le popolazioni. Questo approccio è fortemente messo in discussione da vari ricercatori che evidenziano come il comfort termico debba essere considerato nella sua dimensione sociale, culturale e climatica. La ventilazione naturale fornisce delle condizioni ambientali più variabili rispetto ad un impianto di climatizzazione; ai fini dell’applicazione dei sistemi di climatizazione passiva, è quindi necessario che l'intero approccio al comfort termico attualmente utilizzato nelle norme nazionali ed internazionali venga rivisitato. Recenti ricerche hanno messo in luce come gli occupanti di edifici ventilati naturalmente mostrano una maggiore tolleranza alle fluttuazioni dei parametri ambientali. Tale comportamento sembra attribuibile ad un fenomeno di adattamento di tipo fisiologico, comportamentale e psicologico che si verifica quando l'occupante ha una maggiore interazione con l'ambiente. Questi risultati, che hanno confermato la validità di un approccio al comfort di tipo adattativo, ha dato origine a nuovi valori di riferimento e a nuovi indici di comfort che dovrebbero essere recepiti prossimamente a livello normativo. Se, infatti, nelle norme attuali sul comfort termico la temperatura operativa interna estiva, in ventilazione naturale ma con velocità dell'aria inferiore a 0.2 m/s, limite previsto dalle norme, e in condizioni di attività sedentaria e abbigliamento tipico estivo, deve essere mantenuta sui 26°C, nell'approccio adattativo la temperatura operativa interna ottimale non è un valore unico ma dipende dalle condizioni ambientali esterne, per cui ad esempio in zone climatiche calde (temperatura dell'aria esterna media superiore a 30°C) risulta accettabile una tem-peratura operativa interna maggiore (pari a 28°C). È inoltre evidente che, in ventilazione naturale, la velocità dell'aria è un parametro fondamentale al fine del controllo del comfort termico nel periodo estivo e che a velocità dell'aria maggiori corrispondono temperature operative interne accettabili maggiori e che, quindi, il limite di 0.2 m/s è valido per ambienti ventilati meccanicamente ma risulta fortemente penalizzante per ambienti che si vogliano ventilare naturalmente.

19

CAPITOLO II

L’ARIA: LA VENTILAZIONE NATURALE DEGLI EDIFICI

2.1 La ventilazione naturale: principi

Le forze naturali che possono creare flussi d’aria negli edifici sono:

• di tipo dinamico ( vento) • di tipo termico ( differenza di temperatura)

Il vento induce sulle pareti esterne degli edifici una pressione che aumenta con la sua velocità; l’effetto del vento si traduce in una pressione positiva sul lato dell’edificio colpito dalla corrente, e in una pressione negativa sul lato opposto. Tali differenze di pressione determinano il passaggio dell’aria da una facciata all’altra attraverso le aperture. La differenza di temperatura tra due ambienti genera un moto d’aria convettivo, dovuto alla differenza di densità dell’aria: l’aria calda meno densa si sposta verso l’alto richiamando aria più fresca dal basso e provocando così l’effetto-camino. 2.2 Sistemi archetipici di ventilazione naturale

L’esempio più paradigmatico è rappresentato da un’architettura del mondo animale: il termitaio, una complessa costruzione in sabbia, lavorata dalle termiti operaie, all’interno del quale la temperatura è pressochè costante per tutto l’anno, grazie al metabolismo delle termiti e ad una rete di condotti di ventilazione, che sono aperti o chiusi per regolare i flussi d’aria. La cresta, la parte più esposta all’irraggiamento solare, è massiva e priva d’abitacoli, in modo tale da attenuare le oscillazioni termiche interne. Essa è attraversata, inoltre, da un condotto in grado di favorire la fuoriuscita dell’aria viziata. Esempi d’applicazione antropica dei meccanismi di ventilazione naturale sono, invece, i rifugi “leggeri” dei popoli indigeni di diversi continenti, costruiti per adattarsi ai climi caldo umido oppure per esigenze di mobilità dei popoli nomadi. Tra questi, il più rappresentativo è il tepee (la classica tenda degli indiani d’America delle grandi pianure), costituita da una struttura portante conica di pali d’abete, sormontata da pelli di bufalo conciate con misture oleose e preparati tannici, tali da rendere le pelli impermeabili alla pioggia. Quest’involucro ha due falde riportate, che restano sporgenti in alto e possono essere tenute aperte, per l’uscita del fumo e per l’aerazione, o chiuse, spostando i due pali ai quali sono appese, per riparare dalla pioggia e dal freddo. I pali possono essere spostati anche per posizionare l’apertura sottovento, in modo tale da favorire la fuoriuscita del fumo. In inverno, attorno alla tenda si colloca una barriera circolare fatta di sterpaglia, per protezione contro i venti freddi. D’estate, le pelli sono sollevate nella parte inferiore, per ventilare lo spazio interno. All’interno la capanna è foderata, fino a un terzo dell’altezza utile, da uno strato di pelle conciata, fissata in modo da creare un’intercapedine d’aria verso la pelle esterna.

22

Il tepee

I diversi meccanismi di controllo microclimatico del tepee

Quest’ultima ha la funzione di mantenere asciutto l’ambiente interno, anche in caso di pioggia, e di aumentare il tiraggio termico per l’uscita del fumo. 2.3 La ventilazione naturale nell’architettura

tradizionale: le torri del vento in Medioriente

L’ area, geografica e culturale insieme, del Medio-Oriente Islamico, si trova tra i 15° e i 30° di latitudine nord ed è caratterizzata da un clima caldo-secco (in Iran e Afghanistan, nell’interno dell’ Arabia saudita e Yemen), con temperature medie giornaliere estive che variano dai 40°C ai 50°; le condizioni sopraccennate hanno determinato l’adozione di particolari strategie di controllo microclimatico, dal controllo della radiazione solare all’utilizzo della ventilazione, allo sfruttamento dell’acqua per l’azione raffrescante. Di particolare interesse sono alcuni sistemi edilizi costruiti per il controllo e l’incremento della ventilazione naturale, diversi a seconda delle singole situazioni climatiche, delle condizioni socio-economiche delle popolazioni, del tipo e della funzione degli edifici. Le torri del vento, “oggetti architettonici” di grande rilevanza plastica, caratterizzano in modo emblematico l’ aspetto di queste cittadine o villaggi. Nel contesto delle città tradizionali mediorientali, il cui assetto urbano è generalmente di forma molto compatta per difendersi dalla radiazione solare diretta, la velocità dell’aria al livello delle finestre è notevolmente ridotta: le torri del vento captano quindi i flussi d’aria fresca al di sopra degli edifici.

Il malqaf

Sezione del malqaf in una casa a corte

Il malqaf è una torre di captazione dell’aria posta sulla sommità di locali, realizzata con un’apertura rivolta verso i venti dominanti ad una certa altezza dall’edificio. Il malqaf ha il pregio di funzionare anche in assenza di vento: durante la notte la massa che lo costituisce si raffresca, per irraggiamento e convezione asporta calore dall’aria presente al suo interno che, aumentando di densità, scende nei locali dell’edificio; durante il giorno, quando la temperatura esterna aumenta, la massa muraria costituente la torre mantiene una temperatura minore, per cui può continuare a raffrescare l’aria al suo interno, che penetra negli ambienti. In presenza di vento questo fenomeno viene accelerato. Il malqaf si trova in varie forme e dimensioni, dal Nord Africa, attraverso il Medio Oriente, sino alle regioni del Pakistan. In Iraq, dove la temperatura esterna estiva è di circa 45°C, i malqaf sono di dimensioni ridotte ed hanno uno sbocco in ogni stanza, sino a quella più interna detta serdab, un locale interrato, in grado di raffrescare ulteriormente l’aria in arrivo dal malqaf, in cui la famiglia si rifugia nelle ore più calde della giornata. I malqaf iraniani sono in muratura, hanno pianta rettangolare e sono alti dagli 8 ai 15 metri; l’apertura di captazione è

23

realizzata con un colonnato aperto nella direzione dei venti dominanti. Anche in Egitto il malqaf è stato usato fin dall’antichità nelle abitazioni tradizionali; ha una forma diversa dalle torri del vento mediorientali, infatti è costituito da una copertura in legno inclinata tra i 30° e i 45° posta sul tetto degli edifici. In Pakistan, e in particolare nella città di Hyderabad, l’alta temperatura e la scarsa umidità vengono combattute mediante centinaia di torri del vento di tipo unilaterale ma orientate in modo da poter gestire due differenti angolazioni di vento dominante. La necessaria regolazione dell’immissione d’aria avviene attraverso una piastra metallica cernierata, manovrabile dall’interno dell’abitazione. Il sistema di estrazione dell’aria più comune, il wind-escape, è un’apertura posta sottovento che permette all’aria più calda dell’ambiente confinato di fuoriuscire, grazie alla depressione che si crea presso l’apertura che ha l’effetto di smuovere i flussi d’aria. Dalla tradizione turca deriva il qà’a, un ambiente ventilato naturalmente, utilizzato secondo la tradizione per ricevere gli ospiti. Il qà’a è composto da tre ambienti: il dur qà’a, un locale centrale a tutta altezza, con pavimento in marmo usato per la circolazione delle persone, coperto con un lanternino in legno che fornisce illuminazione; gli iwanat, due ambienti annessi, chiusi, sollevati e con tappeti, dove avvengono le pubbliche relazioni. Il principio su cui si basa il qà’a è molto semplice: in estate l’aria calda dell’ambiente tende a salire verso l’alto, e fuoriesce dalle aperture del lanternino; tale flusso richiama aria fresca dagli ambienti circostanti. In inverno, invece, le aperture vengono chiuse con del vetro e l’effetto serra che si crea riscalda l’ambiente, reso freddo dall’aria invernale.

-

-

Un esempio emblematico derivante dalla tradizione araba è il qà’a associato al malqaf (torre di captazione del vento, vedi cap….) nell’edificio Muhib Al Din Eshafei al Cairo, risalente al 1350 d.C. Il sistema funziona grazie alla differenza di pressione tra le parti in gioco: il malqaf, posto sopravento, cattura l’aria dei venti dominanti, la incanala entro l’iwan e poi nel dur qà’a, che ha un soffitto molto più alto degli ambienti circostanti, a forma di lanternino. Al centro della stanza è posta una fontana che aumenta l’umidità relativa dell’ambiente e diminuisce la temperatura dell’aria. Il flusso d’aria esce per effetto camino all’esterno, attraverso le grate di legno poste sulle pareti del lanternino, che, surriscaldandosi per i raggi solari, favorisce ulteriormente il meccanismo. Questo surriscaldamento non influenza il microclima interno poiché la sommità del lanternino del qà’a si trova molto in alto rispetto alla parte destinata all’uomo. Tale sistema permette di avere un buon movimento dell’aria anche quando all’esterno non vi siano brezze.

Il qà’a

Lanternino per l’uscita dell’aria calda in un qà’a iraniano

Funzionamento bioclimatico del qà’a

In Iran, tradizionalmente, il qà’a è realizzato con una copertura a cupola, che evita eccessivi surriscaldamenti, alla

24

cui sommità vengono realizzate delle aperture per l’uscita dell’aria calda.

Il bad-ghir

Un bad-ghir iraniano

Schema di funzionamento del bad-ghir

In altri casi, come per la ventilazione di grandi ambienti pubblici come moschee, scuole, bagni o depositi commerciali, è più diffuso l’impiego di prese d’aria unidirezionali, molto simili alle “maniche a vento” usate sulle navi, orientate controvento, per l’ estrazione dell’aria calda. Il sistema più noto ed efficace è quello dei bad ghir, letteralmente in persiano significa “prendi vento”, diffusi in Iran e nelle aree del Golfo. Il sistema è basato sul principio della ventilazione termica o “dei moti convettivi”, ed è costituito essenzialmente da una canna in muratura leggera (generalmente a pianta quadrilatera ma anche ottagonale o circolare), a sua volta suddivisa nel senso dell’altezza in quattro o più settori, quadrati o triangolari. Qualunque sia la giacitura dell’edificio, la stagione e l’ora, almeno due settori contigui saranno in ombra e all’interno della canna si determinerà un doppio flusso parallelo, tale da estrarre aria calda e immettere aria fresca.

-

Inoltre la massa del bad-ghir funziona da volano termico: il mattino è più fredda dell’aria esterna che, a contatto con la muratura, si raffredda e diventando più densa scende verso il basso ed entra nell’edificio; durante il giorno accumula calore che restituisce di notte all’aria che tende a salire, innescando così un ciclo di ventilazione inverso. Se canna, altezza e orientamento saranno ben dimensionati, negli ambienti in cui termina il bad-ghir (spesso è la sala comune o di rappresentanza della famiglia) si avvierà una sensibile circolazione d’aria, ma soprattutto si otterrà un abbassamento di temperatura, valutabile tra i 6 e i 10 gradi. In alcuni casi le torri del vento sono costruite ad una certa distanza dall’edificio e collegate ad essi tramite condotti sotterranei; il funzionamento della torre è analogo a quello del bad-ghir, ma il condotto induce un ulteriore raffrescamento dell’aria captata per l’elevata inerzia termica del terreno. 2.4 La ventilazione nell’architettura

contemporanea

Oggi le richieste di comfort più elevato e condizioni ambientali più controllate rispetto al passato, rendono decisamente più complesso utilizzare l’aria come elemento di modulazione e controllo del microclima interno. Ma la maggiore sensibilità verso le tematiche ambientali e la progettazione sostenibile, insieme al riconoscimento degli effetti che l’uso della ventilazione ha sul benessere degli utenti, ha accresciuto l’interesse nell’uso di sistemi e impianti a ventilazione naturale. Esistono interessanti soluzioni contemporanee che utilizzano l’aria per il controllo delle condizioni ambientali, secondo varie strategie, da quelle totalmente naturali a quelle definite ibride,

25

cioè che utilizzano energia esogena per la movimentazione dell’aria, fino a soluzioni più complesse dal punto di vista impiantistico. Nei progetti analizzati di seguito il meccanismo di innesco dei flussi d’aria è principalmente l’effetto-camino, che svolge la funzione di estrazione dell’aria. Nel Solihull Campus la ventilazione è completamente naturale: l’effetto-camino permette di instaurare un flusso d’aria incrociato, con l’ entrata dell’aria posta sulle facciate e l’uscita posta in copertura. Questa configurazione è utile sia per la ventilazione diurna da comfort che per quella notturna delle strutture; infatti la posizione delle bocche d’uscita non influenza la velocità e la forma del flusso, che invece sono influenzate dalle aperture di entrata. Pertanto attraverso la progettazione di aperture di facciata di dimensione e tipologia diversificate,( in questo caso finestre scorrevoli posizionate in modo tradizionale e bocchette al livello dei solai), si possono garantire separatamente o contemporaneamente diverse strategie di ventilazione a seconda delle esigenze e della stagione. Nel progetto dei Lloyd’s Register of Shipping la forma dell’involucro favorisce sia l’accumulo dell’aria calda alla sommità grazie all’andamento della copertura che l’estrazione di quest’aria grazie alla zona sottovento in corrispondenza dell’aggetto della copertura. Il funzionamento estivo dell’edificio è totalmente naturale, mentre d’inverno l’aria viene catturata dalla torre,riscaldata dal recuperatore di calore e immessa egli ambienti, processo che richiede un minimo apporto d’energia. Nel grattacielo della Commerzbank l’estrazione dell’aria è favorita dal grande atrio centrale, che, data l’altezza del camino, è opportunamente regolamentato da dispositivi regolabili del flusso posti all’imbocco dei giardini d’inverno ogni quattro piani. In entrambi i progetti di Hopkins la strategia di ventilazione prevede l’integrazione di sistemi naturali e meccanici; quest’esigenza è giustificata dalla complessità e dalla dimensione degli edifici, e dalla necessità di garantire un funzionamento efficiente e costante durante tutto l’arco dell’anno. L’ integrazione garantisce inoltre la ventilazione negli ambienti dove non è possibile realizzare aperture direttamente sull’esterno, in contesti urbani fortemente inquinati e rumorosi, come, nel caso del palazzo del Parlamento, la città di Londra. L’adozione di impianti come lo scambiatore di calore e l’uso di un sistema ibrido per la movimentazione dell’aria, se affiancate ad una corretta progettazione che sfrutti effetti naturali come l’effetto camino, o l’accumulo di radiazione solare, possono permettere un notevole risparmio energetico, come hanno dimostrato, nel caso specifico del Jubilee Campus, i risultati della campagna di monitoraggio.

26

2.5 Paradigmi

2.5.1 Manifesto dell’architettura naturale: Arup associates Solihull campus, Solihull, 2001

Vista di un edificio del complesso Il campus, che ospita la struttura multidisciplinare di progettazione e servizio OVE ARUP & Partners, da loro progettata, è immersa nel verde del Birmingham Business Park a Solihull, in Inghilterra. Uno degli obbiettivi esplicitamente perseguiti nella progettazione è la realizzazione di un ambiente confortevole ed energeticamente efficiente, che prevede la sostenibilità ambientale, la fattibilità economica e la commerciabilità dell’edificio, la riduzione delle emissioni di CO2, la riciclabilità dei materiali, il collegamento visivo e diretto con il paesaggio naturale circostante, la ventilazione naturale e buoni livelli di luce naturale. Il complesso è composto da due padiglioni di pianta rettangolare adibiti ad uffici, organizzati su due livelli open-space, collegati dal blocco della reception e dei servizi comuni. L’intero edificio è stato progettato in rapporto alle esigenze della ventilazione naturale, che si basa sull’effetto-camino favorito dal disegno della copertura: le falde inclinate culminano con i lucernai apribili che garantiscono il passaggio di un flusso d’aria costante verso l’alto, attraverso gli uffici, diffondendo inoltre la luce naturale proveniente da nord. L’introduzione dei lucernari ha permesso di ottenere una profondità del blocco uffici di circa 24 metri, di gran lunga maggiore rispetto ai 15 metri solitamente considerati come il limite massimo per una efficiente ventilazione naturale incrociata. La ventilazione è stata combinata alla massa termica per garantire una buona qualità dell’aria ed ottenere contemporaneamente la dispersione del calore prodotto dalle

28

Planimetria generale dell’area

I lucernari del Solihull Campus

persone e dalle attrezzature informatiche; non vi sono sistemi di condizionamento artificiale. Per favorire anche la ventilazione da un solo lato, numerosi infissi sono tripartiti, con una parte fissa al centro e, al di sotto e al di sopra di questa, una parte apribile. La scelta dei materiali si è basata sull’utilizzo di materiali e componenti con una ridotta embodied energy, o riciclabili, o che contengono un alto contenuto di materiali riciclati e una controllabile provenienza dei materiali.

Pianta del piano terra

29

Pianta del piano primo

Sezione

Strategia di raffrescamento

Estate giorno: l’apertura delle finestre e dei lucernai innesca un flusso d’aria che espelle l’aria calda dall’alto ventilando gli ambienti di lavoro: il deflusso dell’aria è controllato da apposite lamelle, realizzate nella parte sinistra del lucernario, comandate dal sistema di automazione. La parte destra dei lucernari è costituita da un infisso con veneziane incorporate per il controllo automatizzato del comfort luminoso; l’apertura delle finestre e la regolazione degli schermi solari delle facciate è invece affidato agli occupanti, per garantire il miglior controllo localizzato del microclima. La massa termica dei solai, in cemento lasciato a vista, assorbe il calore in eccesso. Estate notte: durante la notte, mentre i serramenti sono chiusi, l’aria fresca notturna entra dalle griglie sopra gli infissi e contribuisce a disperdere il calore prodotto dalle persone e dalle attrezzature informatiche. La massa dei solai si raffredda preparandosi ad assorbire il calore diurno.Inverno giorno: le vetrate raccolgono l’energia solare incidente accumulandola negli spazi interni. Il ricambio d’aria viene garantito con l’immissione dalle griglie, dotate di apposite persiane di miscelazione dell’aria, controllate dal sistema di automazione. Inverno notte: la massa termica, costituita dai solai in pannelli prefabbricati di cemento, rilascia lentamente il calore attivando una naturale termoregolazione degli ambienti di lavoro.
Schema dell’andamento dei flussi d’aria
Particolare degli infissi

30

Schizzo di studio dei lucernai

Denominazione: Solihull Campus Localizzazione: Solihull, Inghilterra Progettista: Arup associates Anni di costruzione: 2001 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 52 27 N longitudine: 001 44 O altitudine: 99 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO

CONTESTOGEOMORFOLOG CO

CONTESTOCLIMATICO temperato fresco oceanico

temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 20°C Temperatura min.: 11°C Temperatura media: 16°C Inverno Temperatura max.: 6°C Temperatura min.: 1°C Temperatura media: 3°C Precipitazione media annuale (mm): 670 N. giorni di pioggia all’anno: dato non disponibile Velocità media del vento( Km/h): 16 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord-ovest/sud-est DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 2 Superficie totale edificio: 4800 mq Volume totale edificio: 19000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in acciaio lasciata a vista PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: in mattoni con rivestimento in legno di cedro rosso canadese PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in pannelli prefabbricati di cemento a vista COPERTURA: in pannelli prefabbricati di cemento a vista con rivestimento in lamiera grecata

31

STRATEGIA DI VENTILAZIONE

VENTILAZIONE: naturale (passiva) naturale assistita da ventilatori

integrata (ibrida):

IMMISSIONE DELL’ARIA notefinestre

a battente/ scorrevoli a vasistas/ a visiera

estate

bocchette di ventilazione in facciata nelle solette

estate notte inverno

intercapedini a contatto con il terreno

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one

condotti in facciata nelle solette

wind catcher

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

ESTRAZIONE DELL’ARIA note finestre


bocchette di ventilazione in facciata nelle solette in copertura

lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escape

serra

camino solare (lucernario) tutto l’anno

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

32

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore

recuperatori di calore elementi radianti per scaldare l’aria di ricambio

SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne (lucernari) veneziane esterne (finestre) veneziane nell’intercapedine tende interne (finestre) tende esterne persiane/ imposte (finestre) SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo

raffrescamento per scambio termico con il terreno

SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia

- A. Senatore, Arup Associates Solihull Campus, in l’architettura naturale n. 20/2003, pag. 24-31

- Detail n. 6/2002, pag. 772-776

33

STRATEGIE PER IL RAFFRESCAMENTO PASSIVO

2.5.2 La funzione definisce la forma: R. Rogers Partnership Lloyd’s Register of Shipping, Liphook, 2000

Sezione trasversale

Descrizione

Il progetto per la sede della Lloyd’s Register of Shipping esprime l’impegno della RRP nei confronti della sostenibilità ambientale, che implica la ricerca delle migliori condizioni di confort negli edifici per uffici ottenute attraverso il minimo uso di energia possibile. In questo caso la decisione della società di stabilire la propria sede fuori dalla City, nella campagna dell’ Hampshire, sta alla base del diretto rapporto con il contesto che il progetto intende stabilire, attraverso l’uso di forme organiche che si integrano nel paesaggio e le ampie superfici vetrate che forniscono un adeguato apporto di luce naturale. Il complesso è formato da una serie di edifici uguali in sezione ma di lunghezze diverse, disposti secondo una spirale attorno ad un’area boschiva. Ogni edificio è formato da un blocco di uffici, vetrato e schermato da brise-soleil, protetto in parte da un’ampia copertura curva che definisce lo spazio d’accesso e ricreativo annesso agli uffici; la forma della copertura favorisce la ventilazione per effetto-camino d’estate e permette lo smaltimento dell’aria esausta grazie alla zona sottovento che si crea alla sommità in corrispondenza dell’aggetto della stessa. Le torri funzionano da wind catcher e da wind escapes, e sono dotate di un recuperatore di calore che recupera il calore dell’aria viziata in uscita.

34


Estate giorno: d’estate il sistema di ventilazione è naturale e si basa sull’entrata di aria fresca che proviene dal bosco attraverso le aperture in facciata; dagli uffici viene richiamata nello spazio a doppia altezza dell’atrio e smaltita da aperture alla sommità grazie all’effetto camino della copertura. I brise-soleil sulla copertura impediscono l’accumulo di radiazione solare. Estate notte: l’aria fresca proveniente dall’esterno smaltisce il calore accumulato durante il giorno. Inverno giorno: d’inverno il sistema è meccanico con recupero di calore: l’aria viziata viene convogliata nella torre dove un recuperatore di calore riscalda quella fresca che entra dalla torre del vento; l’aria, pura e riscaldata,viene immessa negli ambienti in modo meccanico tramite griglie nelle solette. Inverno not e:t la massa termica delle solette in C.A. riscaldate durante il giorno rilascia lentamente calore durante la notte.

Estate

Inverno

35

Denominazione: Lloyd’s Register of Shipping Localizzazione: Liphook, Inghilterra Progettista: R. Rogers Partnership Anni di costruzione: (non è stato realizzato) progetto:2000 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 51 09 N longitudine: 001 34 O altitudine: 90 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 21°C Temperatura min.: 11°C Temperatura media: 16°C Inverno Temperatura max.: 6°C Temperatura min.: 1°C Temperatura media: 3°C Precipitazione media annuale (mm): 820 N. giorni di pioggia all’anno: 85 Velocità media del vento(Km/h): dato non disponibile CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: i sei edifici sono disposti secondo uno schema a spirale DATI DIMENSIONALI (si considera un edificio di lunghezza media) N. piani fuori terra: 3 Superficie totale edificio:2500 mq Volume totale edificio: 8000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in acciaio PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: le facciate sono vetrate con brise soleil in alluminio PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato COPERTURA: in metallo e vetro

36



integrata (ibrida): alternanza di naturale ( in estate) e meccanica (in inverno)

IMMISSIONE DELL’ARIA note finestre


estate estate


inverno


com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher inverno

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori inverno

cont

rollo

manuale automatico

estate inverno




estate

lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escape inverno

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori inverno

cont

rollo

manuale automatico

37



SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo


SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - L’uso del vento come materiale per il progetto di architettura, in M. Buono, Architettura del ven o : design e tecnologia per il raffrescamento passivo, Napoli, CLEAN, 1998, pag. 73-75

t

.

- Office buildings, in Thomas Herzog Solar energy in architecture and urban planning, with contributions by Norbert Kaiser, Michael Volz., Munich ; New York : Prestel, 1996 - Kenneth Powell,Team 4, Richard + Su Rogers, Piano + Rogers, R.RPartnership, London, Phaidon, 1999, pag. 240, 282-285

38


2.5.3 Il primo grattacielo “ecologico”: Norman Foster & Partners Commerzbank, Francoforte, 1996

Vista dell’edificio Descrizione

Il progetto vincitore del concorso per la Commerzbank propone un susseguirsi di soluzioni innovative connotate da forti contenuti bioclimatici; l’edificio, alto 53 piani, è organizzato planimetricamente intorno al grande atrio centrale, che funge da camino di ventilazione, su cui si affacciano a vari livelli gli uffici e i giardini d’inverno, grandi vuoti che smaterializzano il volume occupato da quattro piani. L’atrio a tutta altezza è diviso in tre parti da lastre in vetro ed è dotato di dispositivi per regolare il flusso d’aria, che potrebbe risultare eccessivo data l’altezza. L’edificio si compone di “blocchi” sovrapposti di 12 piani ciascuno, aggrappati ai piloni strutturali ospitati nei tre vertici, dove si trovano anche i disimpegni verticali; per ogni blocco, e per ciascun lato, è presente, in progressione sfalsata, un giardino pensile, spazio di relazione e svago per gli occupanti.. Si tratta del primo grattacielo in assoluto a sfruttare in modo predominante la ventilazione naturale per il controllo della qualità dell’ambiente interno. In lunghi periodi dell’anno è infatti sufficiente un controllo individuale sull’apertura delle finestre per garantire un microclima ottimale, senza ricorrere al condizionamento forzato, che viene attivato in condizioni climatiche estreme (con temperature superiori ai 25° C e inferiori ai 3°C le finestre vengono chiuse e interviene la ventilazione meccanica).

Questo è possibile grazie alla “pelle” dell’edificio, costituita da una doppia facciata trasparente: lo strato esterno funge da frangivento; l’aria passa nell’intercapedine dotata di frangisole attraverso delle fessure poste alla base e alla sommità di ogni pannello vetrato; le strato interno è costituito da doppio vetro con pannelli apribili.

39

Particolare della facciata

Il sistema di controllo è realizzato grazie a piccole stazioni meteorologiche distribuite intorno all’edificio che raccolgono informazioni sulla radiazione solare, la temperatura a bulbo secco e a bulbo umido, la pressione dell’aria, la velocità e la direzione del vento. In base a queste informazioni il sistema di gestione dell’edificio decide se permettere la ventilazione naturale; gli occupanti sono informati tramite indicatori luminosi.

Pianta piano tipo

Prospetto Sezione

40


Estate giorno: negli uffici la radiazione solare viene intercettata dalle veneziane inserite nell’intercapedine vetrata. Se le temperature non superano i 25°C si ricorre alla ventilazione naturale, aprendo le finestre sia sull’esterno che sull’atrio centrale, più fresco perché ombreggiato e raffrescato dalla presenza della vegetazione; nel primo caso il flusso d’aria viene incanalato nell’intercapedine di facciata, entra negli uffici nella parte bassa della parete e viene espulso nella parte superiore. I giardini, collegati sia con l’esterno che con l’atrio, godono di una buona ventilazione naturale incrociata e della schermatura dai raggi del sole garantita dalla vegetazione. Quando necessario entra in funzione la ventilazione meccanica e un sistema di raffrescamento radi ante ad acqua, integrato nei pannelli di controsoffitto. Estate notte: l’edificio viene raffreddato in modo naturale attraverso il sistema di ventilazione che porta aria fresca dall’esterno e la espelle attraverso l’effetto camino nell’atrio. Inverno giorno: nelle giornate soleggiate l’apporto solare viene accumulato dalla doppia parete vetrata degli uffici, i cui serramenti verso l’esterno vengono tenuti chiusi. Anche i giardini d’inverno accumulano radiazione solare e fungono da serbatoi di calore che viene portato verso l’alto dal flusso costante d’aria che attraversa l’atrio. Inverno not e:t l’aria calda viziata degli uffici viene raccolta nell’atrio centrale, sale grazie all’effetto camino e viene smaltita gradualmente attraverso i dispositivi regolabili del flusso posti all’imbocco dei giardini d’inverno, ogni quattro piani.

41

Schema della ventilazione per effetto camino dell’atrio

Schema della ventilazione di un ufficio

Estate

Inverno soleggiato
Inverno nuvoloso

Denominazione: Commerzbank Localizzazione: Francoforte, Germania Progettista: N. Foster & Partners Anni di costruzione: 1992-1996 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 50 03 N longitudine: 008 36 E altitudine: 113 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 23°C Temperatura min.: 13°C Temperatura media: 18°C Inverno Temperatura max.: 3°C Temperatura min.: -1°C Temperatura media: 1°C Precipitazione media annuale (mm): 730 N. giorni di pioggia all’anno: 83 Velocità media del vento(Km/h): dato non disponibile CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: sud, nord-est, nord-ovest DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 53 Superficie totale edificio:100000 mq Volume totale edificio: 500000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: pilastri in cemento armato e travi Vierendeel PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: doppia facciata vetrata (vetro esterno singolo fisso, intercapedine di 20 cm, vetro esterno doppio basso-emissivo con pannelli apribili) PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato COPERTURA: rivestimento in alluminio

42



integrata (ibrida): alternanza di naturale ( per la maggior parte dell’anno) e meccanica (in condizioni estreme)



vetro interno


vetro esterno


com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata doppia facciata vetrata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico



uffici e giardini pensili


atrio

lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escape atrio

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

43



SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo → vegetazione nei giardini pensili


SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - Office buildings, in Thomas Herzog Solar energy in architecture and urban planning, with contributions by Norbert Kaiser, Michael Volz., Munich ; New York : Prestel, 1996 - Towards the Modern Vernacular , in Detail n. 6/1993, pag. 669 - Norman Foster : Works, editor David Jenkins, vol. 1, fa parte di: Norman Foster : Works ,Munich ; London ; New York : Prestel, 2002 - L’arcaplus n. 15/1997, pag. 101-105 - Carlo Monti (a cura di), Costruire sostenibile: 2000, Alinea, Firenze, 2000, pag. 248-250

44


2.5.4 L’importanza dell’involucro: M.Hopkins & Partners, New Parliamentary Building, Londra, 2000

Vista dal Tamigi Descrizione

L’edificio per il nuovo “campus” ministeriale a Westminster dialoga con il contesto storico e nello stesso tempo promuove l’ innovazione soprattutto dal punto di vista della sostenibilità ambientale. L’impianto planimetrico essenziale e schematico sfrutta al massimo il perimetro del lotto e l’illuminazione naturale, disponendo sette piani di uffici attorno ad una corte vetrata su cui si affacciano ristoranti e negozi. Il linguaggio formale ha riferimenti storici negli alti comignoli che proseguono lo skyline del palazzo di Westminster, e anche le scelte materiche, pietra e alluminio anodizzato color bronzo, rievocano l’effetto piuttosto scuro dello stile perpendicular. Gli uffici sono disposti su doppio affaccio, accessibili da un corridoio centrale; quelli affacciati sull’esterno hanno bow windows con pannelli non apribili per una maggiore insonorizzazione e sicurezza; quelli sulla corte hanno finestre apribili e balconi, per una migliore regolazione del microclima interno da parte degli occupanti nella stagione estiva. L’ elemento di innovazione che caratterizza questo progetto è l’involucro vetrato, costituito da una tripla facciata vetrata ventilata che funziona da camino solare; d’estate l’intercapedine ventilata, insieme all’azione schermante delle veneziane, contribuisce a smaltire il calore della radiazione solare; d’inverno l’intercapedine, che si sviluppa sia in facciata che lungo i bow-window, raccoglie e scalda ulteriormente l’aria calda viziata proveniente dagli ambienti, prima di essere convogliata nello scambiatore di calore contribuendo ad aumentare la quota totale di calore recuperato. Grande attenzione è stata dedicata allo studio dell’illuminazione naturale, che viene diffusa in ogni ufficio attraverso delle

45

Vista del prospetto sulla corte

La corte interna

mensole riflettenti e raggiunge il corridoio centrale attraverso la parte superiore vetrata degli arredi fissi che fungono da divisori.

Sezione longitudinale

46

Pianta piano tipo

Pianta piano terra


Estate giorno: il vento viene catturato in copertura, tramite aperture lungo tutto il diametro del comignolo, climatizzato se necessario nello scambiatore di calore e mandato ai vari piani attraverso le tubature verticali alloggiate nelle intercapedini rivestite in bronzo della facciata, ai lati dei pilastri in pietra; l’aria passa poi nei solai ed è introdotta negli ambienti in corrispondenza della parte inferiore degli arredi fissi che separano gli uffici dai corridoi. L’aria viziata viene estratta dagli ambienti attraverso una mensola interna nella parte superiore della stanza, riportata in copertura attraverso i condotti di facciata, ed espulsa dai camini dopo il passaggio nello scambiatore di calore. Tutti gli uffici dispongono di veneziane e tende interne per schermare i raggi del sole; gli uffici verso la corte sono ventilati naturalmente attraverso serramenti apribili. Il calore della radiazione solare viene intercettato dalle veneziane e smaltito dall’intercapedine ventilata. Estate notte: la massa termica delle solette in cemento, raffreddate durante il giorno, contribuisce a raffreddare gli ambienti. Inverno giorno: nel periodo invernale l’aria segue un percorso uguale a quello estivo, riscaldandosi attraverso la ruota termica. Il camino solare in facciata raccoglie e scalda ulteriormente l’aria calda viziata proveniente dagli ambienti, prima di essere convogliata nello scambiatore di calore contribuendo ad aumentare la quota totale di calore recuperato.

Inverno notte: la massa termica rilascia il calore che ha accumulato durante il giorno.

47

Strategie bioclimatiche: (dall’alto in senso orario) Triplo involucro vetrato che funziona da camino solare Sistema di schermatura solare: tende e veneziane inserite nell’intercapedine Andamento della ventilazione attraverso i solai e i condotti di facciata Illuminazione naturale: mensole riflettenti e divisori parzialmente trasparenti

Camino solare in facciata: sezione dell’intercapedine vetrata in corrispondenza del bow window

Vista del bow-window : ai lati dei pilastri in pietra corrono i condotti di ventilazione

Strategia dell’intero edificio

Strategia di un ufficio

48

Schema della circolazione dell’aria 1. andamento della ventilazione 2. uscita dell’aria 3. tenda avvolgibile 4. mensola riflettente 5. veneziane inserite nel serramento 6. soletta in C.A. come massa

termica 7. plenum a pavimento 8. griglia per l’immissione dell’aria 9. aria viziata 10. ventilatori per l’aria viziata 11. aria fresca 12. ruota termica 13. circuito di distribuzione dei servizi 14. condotti per l’aria in facciata

Denominazione: New Parlamentary Building Localizzazione: Londra, Inghilterra Progettista: M.Hopkins & Partners Anni di costruzione: 1992-2000 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 51 09 N longitudine: 000 11 O altitudine: 61 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 21°C Temperatura min.: 11°C Temperatura media: 16°C Inverno Temperatura max.: 6°C Temperatura min.: 1°C Temperatura media: 3°C Precipitazione media annuale (mm): 750 Velocità media del vento( Km/h): 16 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord/sud DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 7 Superficie totale edificio: 24000 mq Volume totale edificio: 90000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in cemento armato; quella della corte interna è in travi lamellari con giunti in acciaio e pilastri in C.A. PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: le facciate sono caratterizzate da partizioni verticali rivestite in pietra alternate a fasce realizzate in alluminio anodizzato color bronzo e vetro PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato prefabbricato COPERTURA: ha struttura in legno e rivestimento in alluminio anodizzato color bronzo; la corte interna ha una copertura vetrata

49



integrata (ibrida)



solo per gli uffici affacciati sulla corte


tutto l’anno


com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


tutto l’anno

wind catcher tutto l’anno

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

ESTRAZIONE DELL’ARIA notefinestre



tutto l’anno

lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


tutto l’anno

wind escapes tutto l’anno

serra

camino solare (facciata) tutto l’anno

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

50

COMPONENTI IMPIANTISTICI

scambiatori di calore (ruota termica)




SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - Carlo Monti (a cura di), Costruire sostenibile: 2000, Alinea, Firenze, 2000, pag. 212-215 - Low-energy office buildings, in Detail n. 6/1993, pag. 688-689 - Davies Colin, Hopkins2 : the work of Michael Hopkins and Partners; with essays by Charles Jencks and Patrick Hodgkinson ; interview by Paul Finch., London, Phaidon, 2001. pag. 136-156 - Samantha Hardingham, London a guide to recent architecture, Batsford, London, 2002, pag. 70-73

,

51


5.5 L’università sostenibile: M.Hopkins & Partners Jubilee Campus, Nottingham, 1999:

Vista della facciata sud Descrizione

Il campus dell’università di Nottingham riqualifica un’ area altamente degradata alla periferia della città e si sviluppa lungo un lago artificiale che, allungato e irregolare, fiancheggia tutti i padiglioni, disposti secondo uno schema planimetrico semplice ed essenziale. Il programma dell’edificio auspicava la sostenibilità ambientale, sia nella scelta dei materiali che nel consumo di energia. Ciò è reso possibile grazie a un’attenta progettazione della planimetria e dell’involucro dell’edificio, finalizzata al funzionamento del complesso sistema di ventilazione, riscaldamento e raffrescamento a basso consumo energetico sviluppato dallo studio Arup; l’edificio è stato inserito nella ricerca Termie sovvenzionata dalla Comunità Europea, cosa che ha permesso di monitorarlo per i primi anni di funzionamento per valutarne l’effettivo risparmio energetico. L’involucro dell’edificio è costituito da pannelli prefabbricati modulari in legno e acciaio, appesi al reticolo portante in cemento armato; il cedro rosso proviene da foreste canadesi a sviluppo sostenibile certificato e l’isolamento è in carta riciclata. Il consumo totale dell’edificio per gas e elettricità è di 83.6 kWh al mq all’anno, contro i 191.1 kWh al mq di un edificio simile costruito a regola d’arte; inoltre l’emissione di Co2 risulta ridotta del 75%.1

Il sistema di ventilazione ad alta efficienza si basa su: - lo sfruttamento di atrii, corridoi, corpi scale e soprattutto della struttura di C.A. come condutture di circolazione a bassa pressione dell’aria; la struttura portante in cemento armato dell’edificio funziona anche come elemento di inerzia termica;

Atrio della Facoltà di economia

Consumo di energia ed emissione di Co2: a sinistra un edificio tradizionale, a destra il Jubilee Campus

1 Dati disponibili su The Arup Journal n. 2/2001, pag. 5

52

- l’utilizzo di uno scambiatore di calore (ruota termica); - la circolazione meccanica dell’aria, con ventilatori alimentati da energia fotovoltaica: l’aria proveniente dal lago viene catturata in copertura sfruttando la pressione del vento, e immessa nell’unità di trattamento dell’aria che si trova alla sommità delle torri; qui viene raffreddata o riscaldata nella ruota termica dall’aria viziata, mandata in modo meccanico negli ambienti tramite condotti verticali e le intercapedini nei solai in cemento armato; l’aria viziata viene espulsa dai camini che, ruotando naturalmente grazie al vento, permettono alle aperture di essere sempre in depressione.

53

Planimetria del complesso

Facoltà di economia: pianta piano terra

Facoltà di economia: pianta piano primo


Estate giorno: gli atri vetrati sono ventilati in modo naturale attraverso aperture sul lato sud e nella parte superiore della facciata nord: il surriscaldamento dell’aria viene evitato grazie alla vegetazione e alla schermatura prodotta dalle cellule fotovoltaiche inserite nella copertura vetrata. L’aria prelevata in copertura viene raffreddata nella ruota termica, mandata tramite condotti verticali a tutti i piani e immessa negli ambienti attraverso delle intercapedini nei solai in cemento armato; l’aria viziata viene raccolta tramite i corridoi e i corpi scala, e espulsa dai camini che, ruotando naturalmente grazie al vento, permettono alle aperture di essere sempre in depressione. Se necessario viene attivato un sistema di raffreddamento evaporativo dell’aria per abbassarne ulteriormente la temperatura: tale sistema raffredda l’aria viziata prima di entrare nella ruota termica, evitando così di aumentare l’umidità dell’aria in entrata negli ambienti.

Vista delle torri sulla facciata est

Estate notte: l’aria fredda viene immessa nella struttura portante in cemento armato dell’edificio, che funziona come radiatore freddo in modo da moderare i picchi di temperatura durante il giorno. Inverno giorno: il sistema di circolazione dell’aria è analogo a quello estivo; l’aria viene riscaldata nella ruota termica e in caso di necessità da una caldaia a gas.Inverno notte: la massa termica dell’edificio rilascia il calore che ha immagazzinato durante il giorno.

54

Particolare della parte rotante del camino

Spaccato assonometrico con schema della circolazione dell’aria 1 bosco 2 flusso d’aria raffrescato dal lago 3 aperture: regolano il flusso d’aria 4 vegetazione: fornisce ombra e raffresca l’aria per evaporazione 5 cellule fotovoltaiche: forniscono energia e ombra 6 tetto verde: impedisce il surriscaldamento estivo 7 ruota termica e ventilatori per il prelievo dell’aria 8 wind-escapes rotanti

Denominazione: Facoltà di economia- Jubilee Campus

Localizzazione: m, Inghilterra NottinghaProgettista: M.Hopkins & Partners Anni di costruzione: 1996-1999 Destinazione d’uso: ersitario campus univlatitudine: 52 44 N longitudine: 001 11 Oaltitudine: 78 m s.l.m. CLIMA

temperato fresco oceanico o

ATI CLIMATICI max.: 20°C

70

ARATTERISTICHE DEL SITO

a a

centro urbano bano

IPOLOGIA oblocco

i

SPOSIZIONE: est/ovest

ra: 3 o: 3900 mq

TRUTTURA DI ELEVAZIONE: in cemento armato fabbricati modulari in

RNE ORIZZONTALI: in cemento armato ata con cellule

CARATTERISTICHE

CONTESTO

CONTESTO LOGICO

CLIMATICO temperato fresco suboceanic

temperato caldo mediterraneo di montagna DEstate Temperatura Temperatura min.: 11°C Temperatura media: 16°C Inverno Temperatura max.: 6°C Temperatura min.: 1°C Temperatura media: 3°C Precipitazione media annuale (mm): 6Velocità media del vento( Km/h): 16 C pianura GEOMORFO collina montagn fascia costier contesto extraur T mon DELL’EDIFICIO a corte a galleria a padiglion EDATI DIMENSIONALI N. piani fuori ter Superficie totale edifici Volume totale edificio: 20000 mc SPARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: pannelli prelegno e acciaio PARTIZIONI INTECOPERTURA: tetto verde; l’atrio ha una copertura vetrfotovoltaiche

55



integrata (ibrida): naturale negli atri; ibrida negli uffici e aule



uffici atrio e uffici



com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico



trio a


lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escape

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

56

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore (ruota termica)


SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo → lago artificiale; vegetazione nell’atrio vetrato



t

- Office buildings, in Thomas Herzog Solar energy in architecture and urban planning, with contributions by Norbert Kaiser, Michael Volz., Munich ; New York : Prestel, 1996 - Carlo Monti (a cura di), Costruire sostenibile: 2000, Alinea, Firenze, 2000, pag. 206-212 - M. Santamouris, Natural ventilation in buildings, a design handbook, James&James, London, 1998, pag. 245-246

- Low-energy office buildings, in Detail n. 6/1993, pag. 686-687 - Davies Colin, Hopkins2 : the work of Michael Hopkins and Partners; with essays by Charles Jencks and Patrick Hodgkinson ; interview by Paul Finch., London, Phaidon, 2001. pag. 36-45

57


CAPITOLO III

L’ACQUA: IL RAFFRESCAMENTO EVAPORATIVO

3.1 Il raffrescamento evaporativo nell’architettura tradizionale

Il raffrescamento evaporativo è un processo in cui l’effetto dell’evaporazione del contenuto d’acqua dell’aria viene utilizzato come pozzo termico naturale; il calore sensibile dell’aria viene ceduto alle molecole d’acqua sotto forma di calore latente, al fine di consentirne l’evaporazione. La quantità di calore sensibile assorbito dipende dall’ammontare di acqua che può essere evaporata. 1 Le tecniche di raffrescamento evaporativo hanno radici antiche di migliaia di anni e si sono sviluppate in particolare nei Paesi con climi caldi e secchi, come in alcuni paesi islamici, nei quali l’acqua ha assunto anche un forte significato simbolico e religioso. La fontana, posta generalmente nel mezzo del cortile o del patio, spesso ha una forma simbolica che rievoca la volta celeste: è esternamente quadrata con il bacino centrale ottagonale o a più facce, e dei semicerchi negli spigoli dei quadrati. L’acqua in movimento nelle fontane è efficace nel raffreddare l’aria, e spesso infatti viene collocata al centro dei locali forniti di torri del vento, che convogliano l’aria esterna verso l’acqua della fontana, diminuendo la temperatura dell’aria ed incrementandone il contenuto di umidità. Spesso associato alla fontana è il salsabil, una lastra di marmo obliqua lavorato con disegni minuti, che grazie all'irregolarità della superficie movimenta l'acqua aumentando la superficie di scambio per l'umidificazione dell'aria; esso è generalmente posto in una nicchia di fronte all’iwàn, il luogo adibito alle relazioni sociali ed è collegato ad una fontana posta poco lontano. Nella tradizione mediorientale e araba alcuni elementi dell’involucro edilizio tipici hanno la funzione di controllo del microclima interno, come ad esempio la mashrabìya, uno schermo di legno dalle geometrie molto decorative, applicato sulle aperture di facciata. Secondo quanto afferma Hassan Fathy2, la mashrabìya ha la funzione di controllare il passaggio della luce e assicurare la privacy, ma anche di ridurre la temperatura dell’aria e aumentarne l’umidità, grazie al materiale usato, il legno. Esso infatti assorbe l’umidità del vento durante la notte e, quando è colpita dai raggi del sole di giorno, rilascia l’umidità all’aria nell’ambiente. Questo effetto poteva essere aumentato costruendo un ambiente apposito a sbalzo( tipo bow-window), chiuso da pannelli in legno, nel quale venivano collocate delle giare di terracotta porose piene d’acqua.

La tradizione islamica

Fontana nella Moschea di Siviglia

1 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici : concetti, precedenti architettonici, criteri progettuali, metodi di calcolo e casi studio, Rimini, Maggioli, 1997, pag. 374 2 H. Fathy, Natural energy and vernacular architecture, University of Chicago Press, USA, 1986

60

3.2 Il raffrescamento evaporativo associato alla ventilazione nell’architettura tradizionale: il palazzo della Zisa di Palermo

La realizzazione del palazzo della Zisa di Palermo risale all'epoca di dominazione normanna in Sicilia, seguita all'egemonia islamica dell'isola durata per due secoli. Il palazzo venne ultimato intorno al 1166 dal re Guglielmo II, con la duplice finalità di realizzare una dimora in cui trascorrere le calde giornate estive e la volontà di lasciare un segno tangibile del suo potere e della grandezza della dominazione normanna in Sicilia. L’edificio venne progettato in un unico contesto con il giardino circostante, il parco reale Genoard, arricchito da una vasca, la “peschiera”, in asse all’ingresso: la presenza del giardino progettato alla maniera araba testimonia la forte influenza islamica subita dai Normanni, che furono fortemente attratti dalla cultura dei loro predecessori. Il massiccio involucro del palazzo è costituito da un parallelepipedo orientato nella direzione est-ovest, con due corpi sporgenti che rompono la linearità dei fronti sui due prospetti laterali. Tutto il palazzo è realizzato intorno ad un vano quadrato posto al centro che costituisce il fulcro dell'edificio ai cui lati sorgono simmetricamente gli ambienti residenziali. Al piano terra si trova la sala di rappresentanza, che con la sua doppia altezza, le ricche decorazioni murarie e la presenza dell’acqua, che simboleggia una delle sorgenti del paradiso coranico, costituisce un elemento caratteristico dell’edilizia palazziale islamica. Il secondo piano si sviluppava originariamente attorno a un grande atrio scoperto, con loggette ai quattro angoli, sovrastante il salone della fontana; anche gli ambienti adiacenti erano scoperti. Così come era tradizione nel mondo islamico, nell'ideazione e nella realizzazione della Zisa è stata posta molta attenzione al rapporto tra la natura e il costruito al fine di sfruttare al meglio tutti quegli elementi che potevano influire sul microclima interno al palazzo. Il massiccio involucro in pietra costituisce una frontiera per proteggere gli ambienti interni dalla forte radiazione solare. Sul prospetto posteriore, rivolto ad ovest, un corridoio non ha solo funzione distributiva ma è utile come ostacolo per il surriscaldamento degli ambienti; le aperture su questo fronte sono di dimensioni molto ridotte per impedire che durante le lunghe ore di insolazione nelle giornate estive la temperatura degli ambienti salga. Tra i diversi accorgimenti progettuali, quello che più di ogni altro caratterizza la Zisa è il sistema di ventilazione naturale interna che, prima delle numerose trasformazioni a cui il palazzo è stato soggetto nel corso dei secoli, riusciva a garantire una costante circolazione di aria fresca e l'espulsione di quella calda.

61

Vista del palazzo della Zisa: fronte principale

Configurazione originaria dell’edificio

La Zisa

L'attenzione per il movimento dell'aria all'interno degli edifici, originaria del mondo islamico, è stata ripresa alla Zisa ma adattata alla realtà del sito e dell'edificio. Il fronte principale dell'edificio è rivolto verso il mare, per godere del refrigerio portato dalle brezze più fresche; le brezze lambivano l'acqua della peschiera antistante l'edificio, entravano dai fornici del prospetto principale e raggiungevano la sala della fontana. La presenza dell'acqua che scorreva all'interno del vano permetteva di aumentare la percentuale di umidità dell'aria prima che questa cominciasse il suo naturale moto ascendente verso i piani superiori. Nella sala della fontana è infatti presente un tipico elemento della tradizione islamica costituito dal salsabil, una lastra marmorea obliqua lavorata a rilievo, che grazie all'irregolarità della superficie movimentava l'acqua aumentando la superficie di scambio per l'umidificazione dell'aria. L'acqua veniva convogliata alla fontana attraverso un'apertura sul muro e da li scorrendo sul salsabil raggiungeva le vasche e poi la peschiera. Il sistema di ventilazione era reso possibile dalla presenza di condotti verticali di ventilazione posti all'interno dei corpi sporgenti sui lati corti del palazzo, che comunicavano con aperture ai diversi piani del palazzo; sfruttando l'effetto camino, determinato dal moto ascendente dell'aria calda, le brezze che venivano introdotte all'interno del palazzo andavano a sostituire l'aria calda presente negli ambienti che trovava uno sfogo naturale attraverso le torri. La scoperta delle canne di ventilazione è avvenuta durante i recenti lavori di consolidamento e restauro; infatti le fenditure ( lunghe 120 cm e larghe 25 cm) nelle volte erano state otturate nei secoli scorsi, così come nelle stesse pareti erano state aperte finestre che annullavano il tiraggio e il ricambio dell’aria. La sala centrale del secondo piano e gli atri adiacenti venivano ventilati direttamente dalle ampie aperture presenti nella copertura del palazzo, che garantivano la circolazione dell’aria per l’effetto camino. Le aperture contrapposte sui due prospetti est ed ovest rendevano possibile, oltre alla mobilitazione dell'aria in senso verticale dovuta all'effetto camino, anche la ventilazione orizzontale; questa era incrementata inoltre dalla presenza di aperture al di sopra delle porte interne, che mettevano in comunicazione i diversi ambienti. Queste piccole finestrelle, ancora oggi visibili, permettevano all'aria di muoversi costantemente tra gli ambienti ad una quota superiore a quella abitata, evitando fastidiose correnti. Agli elementi già descritti per il controllo del microclima interno se ne aggiungono altri, come per esempio le muscarabie, grate di legno finemente lavorate presenti alla quota della doppia altezza della sala della fontana: altro elemento della tradizione costruttiva islamica, assolvevano a diverse funzioni in quanto, oltre a proteggere la privacy degli occupanti, secondo la tradizione musulmana, e a decorare con la loro bellezza,

Il salsabil nella sala della fontana

La sala principale della fontana

Il portico

62

permettevano un'ulteriore regolazione delle caratteristiche termoigrometriche dell'aria che le attraversava, grazie alla capacità del legno di assorbire e rilasciare umidità. Il palazzo della Zisa ha subito nel corso dei secoli pesanti trasformazioni che hanno inciso su questo affascinante sistema di controllo del microclima interno. Nel tempo sono state ostruite molte delle aperture che permettevano all'aria di circolare all'interno degli ambienti, le canne di ventilazione sono state chiuse in più punti e, soprattutto, è stata creata una copertura degli ambienti del secondo piano; tutti questi interventi hanno eliminato l'effetto camino grazie a cui si aveva la mobilitazione dell'aria negli ambienti del palazzo. Inoltre i violenti interventi secenteschi hanno distrutto tutte le bifore del prospetto principale sostituendole con finestre rettangolari di larghezza maggiore della luce complessiva delle finestre originarie, cosa che ha incrementato la superficie di accesso dell'irraggiamento solare determinando il surriscaldamento degli ambienti esposti ad est. Il recente restauro ha permesso di riportare il palazzo alla sua imponenza e bellezza ed oggi la Zisa ospita il museo dell’Islam; alcuni elementi originari sono stati parzialmente ripristinati, ma il raffinato sistema di controllo microclimatico risulta notevolmente ridotto. 3.3 Il raffrescamento evaporativo associato alla

ventilazione nell’architettura contemporanea: principi e tecnologie di controllo

Il limite principale dei sistemi che sfruttano l’evaporazione è dato dal fatto che sono efficaci solo in climi caldo-secchi, perché se l’umidità relativa dell’ambiente è alta, l’effetto dell’evaporazione si riduce di molto. Spesso però proprio nei climi caldi e secchi dove sarebbe più utile, la carenza di acqua limita l’utilizzo di questi sistemi. I sistemi moderni di raffrescamento sono basati su prototipi sviluppati in U.S.A. nei primi anni del ‘900. Come gli altri sistemi di raffrescamento per dissipazione, i sistemi di raffrescamento evaporativo si distinguono in: ibridi o naturali, in relazione all’utilizzo, o meno, di energia esogena per la movimentazione dell’aria; diretti o indiretti, in relazione al meccanismo di scambio termico. I sistemi per il raffrescamento evaporativo diretto sono tutti riconducibili al sistema di base, rappresentato dalla torre di raffreddamento evaporativo diretto, basata sull’immissione di acqua, generalmente spruzzata, nel condotto di ingresso dell’aria. L’aria, raffreddata dal meccanismo evaporativo e quindi resa più pesante, scende lungo la cavità della torre aiutata

Sistemi diretti

63

generalmente dal vento o da un ventilatore ed entra nell’ambiente dalla parte inferiore della torre. L’effetto della spinta verso l’interno è molto piccolo, per questo il sistema è utile solo se la torre è progettata anche come torre del vento, o è accostato ad altri sistemi di estrazione dell’aria che forzino il passaggio attraverso la torre. A prescindere quindi dall’efficienza del sistema di spruzzamento, la potenza di raffreddamento è altamente dipendente dalla portata d’aria, il che implica una particolare cura nella progettazione delle bocche di ingresso dell’aria, che devono catturare il vento nel modo più efficiente.Questo sistema è utile per il trattamento di ambienti di piccole dimensioni, in quanto in ambienti grandi il rapporto tra la superficie umida di contatto e il volume d’aria da trattare sarebbe troppo piccolo e quindi l’effetto sull’ambiente interno non sarebbe apprezzabile.3

I sistemi per il raffrescamento evaporativo indiretto sono tutti applicati sul tetto dell’edificio e comprendono: - il sistema a spruzzo d’acqua - il oof pound r

- le pellicole d’acqua corrente Il sistema a spruzzo produce sulla superficie del tetto uno strato di minuscole gocce sospese che, evaporando, assorbono una quantità significativa del calore accumulato (per irraggiamento solare e per apporti dall’interno) nel tetto. Utilizzando meccanismi di regolazione della portata e della direzione del getto d’acqua in funzione della temperatura del tetto, di quella dell’aria interna e del tasso di evaporazione richiesto, è possibile raggiungere un’efficienza di raffrescamento ottimale con il minimo consumo d’acqua. Il roof pound come sistema di raffrescamento evaporativo funziona in modo diverso rispetto a quando opera come radiatore notturno: il contenitore d’acqua posto sul tetto deve essere schermato per un eccessivo riscaldamento dell’acqua, ma non isolato, affinché l’acqua possa evaporare. Perché il sistema sia efficace, la temperatura del tetto deve essere superiore alla temperatura dell’aria a bulbo umido, che a sua volta non deve superare i 20°C. Il sistema a pellicola d’acqua corrente è costituito dal flusso di un sottile strato d’acqua sulla superficie del tetto, il tasso di evaporazione è incrementato da un aumento della velocità relativa tra strato d’acqua e l’aria che lo lambisce. L’acqua raffrescata viene accumulata nello scantinato dell’edificio e fatta circolare in radiatori che raffrescano l’aria degli ambienti interni. La condizione limite per il funzionamento del sistema è che la temperatura del tetto sia superiore alla temperatura a bulbo umido dell’aria esterna.4

Sistemi indiretti

Stratificazione della temperatura dell’aria in una torre di raffrescamento, costruita sperimentalmente in Israele

3 R. Serra Florensa, H. Coch Roura, L’energia nel progetto d’architettura, Città Studi Edizioni, pag. 306 4 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici : concetti, precedenti architettonici, criteri progettuali, metodi di calcolo e casi studio, Rimini, Maggioli, 1997, pag. 374

64

3.4 Paradigmi

3.4.1 Gli uffici sull’acqua: Kiessler & Partners Science & Technology Park Gelsenkirchen, 1995

Vista dell’edificio affacciato sul lago Descrizione

Il progetto del Parco della Scienza offre un valido esempio dell’applicazione del raffrescamento di tipo evaporativo anche in climi non particolarmente caldi, come quello del nord della Germania. Il Parco della Scienza ospita il centro tecnologico per la ricerca e lo sviluppo nel campo delle tecnologie innovative e fa parte di un vasto programma di riqualificazione ambientale del Emscher Park. Il complesso consiste di una galleria vetrata lunga 300 m, orientata ad est, che si affaccia su di un lago artificiale, con nove padiglioni aggregati a pettine sul lato ovest. La strategia di raffrescamento estivo è molto semplice e si basa sulla presenza del lago artificiale: attraverso un sistema elettronico di aperture l’intera superficie vetrata si riduce di un terzo su tutta la parte bassa, in coincidenza con l’apertura in alto della serra; l’aria che arriva dal parco lambisce il lago raffrescandosi ulteriormente e giunge nella galleria innescando una forma di ventilazione che consente di annullare completamente l’effetto-serra.

Vista del complesso affacciato sul lago

La facciata vetrata inclinata viene protetta dal guadagno solare attraverso un semplice sistema di tende a rullo. La galleria diventa una sorta di percorso pubblico: il confine fra interno ed esterno è rimosso e il parco, la galleria e l’intera estensione dell’istituto si fondono in un unico spazio. Il principio base che garantisce il raffrescamento della struttura durante i mesi estivi è la ventilazione notturna, attuata attraverso un’ opportuna disposizione delle aperture.

66

Veduta dall’interno della hallverso il lago artificiale


Estate giorno: Attraverso un sistema elettronico di aperture l’intera superficie vetrata si riduce di un terzo su tutta la parte bassa, in coincidenza con l’apertura in alto della serra; si innesca così una forma di ventilazione che consente di annullare completamente l’effetto-serra. La facciata vetrata inclinata viene protetta dal guadagni solare attraverso un semplice sistema di tende a rullo. Sul prospetto ovest un sistema di tende distanziate dal paramento esterno evita i guadagni termici creando una doppia facciata che favorisce la ventilazione. Estate notte: la parete vetrata della serra viene chiusa parzialmente lasciando una piccola apertura in basso lungo tutta la galleria, in coincidenza con l’apertura in alto della serra, in modo da consentire all’aria fresca notturna di dissipare il calore assorbito dalla massa termica durante il giorno. Sul lato ovest un sistema di persiane favorisce la ventilazione notturna evitando l’intrusione dall’esterno. Inverno giorno: la lunga facciata vetrata esposta a est capta i raggi solari, creando uno spazio-galleria che raggiunge una temperatura di 18°C. Anche la facciata ad ovest, quasi interamente vetrata, accumula radiazione solare che scalda gli uffici. Inverno notte: i solai in C.A. rilasciano il calore che hanno accumulato durante il giorno.

67

Inverno - giorno
Estate - giorno
e
Estate - nott

Denominazione: Science & Technology Park Localizzazione: Gelsenkirchen, Germania Progettista: Kiessler + Partners Anni di costruzione: 1988-1995 Destinazione d’uso: centro di ricerca latitudine: 51 45 N longitudine: 007 23 E altitudine: 54 m s.l.m. CLIMA temperato fresco oceanico temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 21°C Temperatura min.: 13°C Temperatura media: 17°C Inverno Temperatura max.: 3°C Temperatura min.: 2°C Temperatura media: 3°C Precipitazione media annuale (mm): 910 N. giorni di pioggia all’anno: dato non disponibile Velocità media del vento( Km/h): 12 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: est/ovest DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 3 Superficie totale edificio: 8400 mq (galleria)+9000 mq (padiglioni)

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO


CONTESTOCLIMATICO

Volume totale edificio: 35000 mc (galleria)+27000 mq (padiglioni) STRUTTURA DI ELEVAZIONE: a travi e pilastri in cemento armato PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: la facciata est è interamente vetrata PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato COPERTURA: dato non disponibile

68



integrata (ibrida): naturale in estate, meccanica in inverno



estate giorno estate notte



com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher

serra estate

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico




lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes

serra

camino solare estate

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

69

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore recuperatori di calore SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo → lago artificiale


SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - L’uso del ven o come materiale per il progetto di architettura, in M. Buono, Architettura del vento : design e tecnologia per il raffrescamen o passivo, Napoli, CLEAN, 1998, pag. 63-66

tt

t- Office buildings, in Thomas Herzog, Solar energy in archi ecture and urban planning, with contributions by Norbert Kaiser, Michael Volz., Munich ; New York : Prestel, 1996

70


3.4.2 Torri del vento contemporanee: M. Cucinella, Edificio per uffici, Catania, 1998

Sezione dell’edificio Descrizione

Il progetto è il risultato di uno studio, finanziato dalla Commissione Europea, di un sistema evaporativo passivo di raffrescamento per edifici non-residenziali, che si colloca all’interno del programma di ricerca Joule III sul tema del risparmio energetico negli edifici. L’obbiettivo della ricerca PDEC (Passive Downdraught Evaporative Cooling) è quello di sviluppare un sistema di raffrescamento a basso consumo energetico che possa essere una realistica alternativa ai sistemi di aria condizionata in climi caldi, con l’obbiettivo di contrastare il continuo aumento dei consumi energetici degli edifici per uffici e alla conseguente crescita dell’inquinamento atmosferico urbano e della produzione di CO2.

Oltre allo studio MCA (Mario Cucinella Architects), la ricerca ha coinvolto cinque partners: lo studio di architettura Short, Ford & Associates (UK), due istituti universitari, De Monfort University (UK) e Universidad de Malaga (E), due società per la simulazione delle performances ambientali e l’analisi dei costi, la Conphoebus (I) e la Microlide (F). L’edificio è un parallelepipedo attraversato verticalmente da una serie di torri di raffreddamento evaporativo, gli elementi chiave del progetto, che hanno la doppia funzione di captare l’aria esterna e di raffrescarla. La forma più efficiente delle aperture sulla sommità è stata messa a punto attraverso prove su un modello in plexiglas 1:20 studiato nella galleria del vento. Inoltre, per analizzare il comportamento dell’edificio, è stato realizzato un prototipo sperimentale in scala reale: sottoposto a una campagna di monitoraggio, ha dimostrato che anche una leggera brezza esterna produce un moto d’aria dentro la torre e lo dirige uniformemente verso gli uffici.

Modello dell’edificio

Schema del funzionamento delle torri di raffrescamento evaporativo

71


Foto del modello in plexiglas per lo studio aerodinamico dei flussi d’aria all’ingresso della torre

Sezione di studio del wind catcher

Estate giorno: Le torri hanno due aperture opposte a est e a ovest con sezione curva per captare meglio i venti; l’aria passa in un tubo verticale per la riduzione delle turbolenze, viene raffreddata dal sistema di nebulizzazione dell’acqua, aumenta di peso e scende diffondendosi negli ambienti attraverso delle aperture presenti a diverse altezze in corrispondenza dei piani. Queste aperture sono state studiate in base ai flussi che generano all’interno degli ambienti, attraverso i modelli nella galleria del vento. Le torri di raffrescamento fungono anche da lucernario, per illuminare naturalmente l’atrio a piano terra. Una copertura frangisole ripara l’edificio dalla radiazione solare. Estate notte: le torri vengono usate per la ventilazione notturna dell’edificio, in modo da preparare gli ambienti al funzionamento diurno. L’aria entra dalle aperture in facciata e viene espulsa attraverso le torri, sfruttando l’effetto Bernoulli- Venturi.

Schizzi di studio delle strategie ambientali

72

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO

CONTESTOCLIMATICO


Denominazione: Edificio per uffici Localizzazione: Catania, Italia Progettista: M. Cucinella Anni di costruzione: 1998 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 37.5 N longitudine: 15.1 E altitudine: 7 m s.l.m. CLIMA temperato fresco oceanico temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 34°C Temperatura min.: 20°C Temperatura media: 27°C N. giorni con t⟩ 32°C: 91 Inverno Temperatura max.: 13°C Temperatura min.: 4°C Temperatura media: 9°C Precipitazione media annuale (mm): 390 N. giorni di pioggia all’anno: 31 Velocità media del vento( Km/h): dato non disponibile CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: est/ovest DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 5 Superficie totale edificio: 8400 mq Volume totale edificio: 35000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: dato non disponibile PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: dato non disponibile PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: dato non disponibile COPERTURA: dato non disponibile

73



integrata (ibrida)



notte



com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher giorno

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico



giorno


lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes notte

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

74

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore recuperatori di calore SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo → torri di raffrescamento



- S. Agabio, E. Badano, Mario Cucinella, Maggioli editore, 1999, pag. 143-150

- Sito internet www. MCArchitects.it - "Cooling Tower", in The Architectural Review, gennaio 2000, n° 1235

(p. 63-65)

75


CAPITOLO IV

LA TERRA: IL RAFFRESCAMENTO PER SCAMBIO TERMICO CON IL TERRENO

4.1 Lo scambio termico con il terreno nell’architettura “tradizionale”

L’uso del terreno come mezzo di controllo climatico risale ai tempi più antichi e fa parte del repertorio dell’architettura tradizionale di diverse popolazioni. Nell’area del Mediterraneo, dove la difesa dal caldo ha sempre rappresentato un’esigenza primaria, si sono sviluppati molti tipi architettonici che utilizzano lo scambio termo-igrometrico diretto con il terreno per stabilizzare la temperatura al loro interno. Dalla città sotterranea in Cappadocia (Turchia), agli insediamenti scavati nel terreno a patio centrale in Tunisia, alle abitazioni rupestri molto diffuse dalla Spagna al Sud Italia, gli insediamenti ipogei costituiscono un esempio dello sfruttamento delle risorse naturali da parte delle culture premoderne. L'insediamento totalmente ipogeo è nato per ragioni complesse che sono sia ambientali che socio-storiche (protezione dai nemici e dal clima in Cappadocia, protezione prevalentemente dal clima nelle ragioni a clima caldo arido del Sud della Tunisia). In Italia le abitazioni rupestri sono diffuse in Basilicata, dove i Sassi di Matera sono stati abitati fino all'inizio degli anni '50. E' difficile parlare di caratteri ambientali degli insediamenti rupestri, perché il loro funzionamento ambientale dipende da un equilibrio difficilmente descrivibile tra le caratteristiche geomorfologiche del sito (tipo di roccia, permeabilità all'aria ecc.) e quelle dagli elementi specifici dell'architettura rupestre.

I “Sassi” di Matera

La camera dello scirocco in Sicilia

Tipologia a patio a Matmatà, Tunisia

La camera dello scirocco nella villa Amblesi Naselli, Palermo

L’edificio ipogeo

Ad esempio, nei Sassi di Matera i caratteri possono essere definiti da: - grande diversità di forma (quadrata, rettangolare, ecc.), e di fronte di chiusura verso l'esterno e variabilità di orientamento dell'affaccio; unità abitative contigue, poca presenza di acqua e di verde; - grande varietà di tipologia d'uso di spazi interni legata spesso ad esigenze di coabitazione uomini animali; - grande capacità termica che attenua sia il caldo estivo che il freddo invernale, mantenendo una temperatura interna che si scosta di poco da quella delle medie stagionali. - la presenza della porta come unica apertura verso l'esterno, che implica condizioni di poca illuminazione naturale, bassa ventilazione ed elevata umidità interna. L'abitare nel sottosuolo, sia pure temporaneamente, è stato ripreso alcuni secoli fa in Sicilia, dove sia nelle ville intorno a Palermo e Catania sia nell'architettura spontanea di altri siti (ad esempio nelle isole Eolie) costruite le famose camere dello scirocco. Si tratta di locali di diversa dimensione costruiti quasi completamente sotto terra, con un affaccio verso l'alto per l’ illuminazione naturale, destinati ad essere abitati nel periodo caldo dello scirocco; nelle grandi ville essi erano staccati dall’ edificio principale e collegati attraverso gallerie sotterranee spesso percorse da canalette di acqua che contribuivano all'effetto di raffrescamento attraverso l'evaporazione.

78

Il rapporto con il contesto può essere ipogeo (il tipo più comune), semiipogeo o sovrasuolo ma comunicante con grotte naturali che costituiscono la sorgente fredda dell'aria. La forma della stanza è circolare, con copertura a volta in pietra ricoperta di terreno piantumato e garantisce una massa termica elevata, che dipende dalla dimensione della camera e dallo spessore della terra sovrastante( mai inferiore di due metri); tale massa garantisce un’inerzia termica di parecchi giorni, superiore alla durata dei periodi di scirocco (10-12 giorni). Misure termiche fatte in una camera dello Scirocco mostrano una differenza tra temperatura interna ed esterna di 7-8°C (da 33°C a 25°C). 1

Tra i molti sistemi di raffrescamento passivi adottati nell’architettura iraniana tradizionale2, c’è un interessante esempio di torre del vento, ben documentata3, che sfrutta lo scambio termico aria-terreno di tipo indiretto. Tale sistema è costituito da una torre del vento, detta badgir, costruita ad una certa distanza dall’edificio da raffrescare, e collegata ad esso tramite un ampio condotto sotterraneo. Al mattino, l’aria viene a contatto con la massa della torre, che si è raffreddata durante la notte, e raffreddandosi scende lungo il vano interno della torre entrando nel condotto sotterraneo; tale condotto induce un ulteriore raffrescamento dell’aria captata che viene immessa negli spazi abitati in modo naturale grazie alla differenza di temperatura. Il ciclo di ventilazione viene infatti garantito durante il giorno per effetto Bernoulli-Venturi e per effetto-camino, tramite le aperture poste sul lato sottovento degli ambienti, più in alto rispetto a quelle per l’ingresso dell’aria raffreddata. In presenza di vento il meccanismo risulta accelerato. Di notte l’aria all’interno della torre si riscalda e tende a salire, innescando un ciclo di ventilazione inverso a quello diurno. Un altro esempio di raffreddamento tramite sfruttamento del terreno in modo indiretto è fornito dal complesso delle ville di Custozza; tale sistema, famosissimo per secoli e attualmente quasi sconosciuto, merita attenzione per l’originalità e l’efficacia. Le sei ville sorgono a Custozza, sulle pendici dei Colli Berici, sono state costruite in periodi diversi, dal ‘500 al ‘700, e hanno subito interventi di ristrutturazione anche radicali in epoche successive. Il sistema si basa sulla presenza, nelle colline ai cui piedi sono costruite le ville, di grandi cavità sotterranee, dette “covoli”, che sono il risultato di attività estrattiva di pietra da costruzione fin dall’epoca romana; tali cavità, la cui temperatura resta pressoché costante nel corso dell’anno, collegate con l’esterno a quote maggiori di quelle delle costruzioni, rendono possibile, nei

Le torri del vento in Iran

I “Covoli” di Custozza

Funzionamento del bad-ghir associato ad un condotto sotterraneo

1 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli editore, Rimini, pag. 390 2 cfr. cap. sulla ventilazione naturale nell’arch. mediorientale 3 M. Grosso, Principi e tecniche di controllo dello scambio termico edificio-terreno, in Ambiente costruito n. 1/1997, pag. 55

79

periodi in cui la temperatura esterna è superiore a quella nelle cavità, una circolazione naturale di aria fresca. Le sei ville sono tutte collegate ai covoli, o mediante cunicoli sotterranei artificiali, detti “ventidotti”, o direttamente. Il principio su cui si basa il sistema di raffrescamento delle ville di Custozza è dunque il seguente: se una cavità comunica con l’aria esterna attraverso aperture poste a quote diverse, e se la temperatura delle pareti della cavità, e quindi dell’aria al suo interno, è stabile a causa della grande capacità termica delle masse di terreno, ed inferiore alla temperatura dell’aria esterna, a causa della diversa densità delle due colonne di aria si innesca un moto convettivo naturale che fa sì che l’aria fredda esca dalla cavità verso l’esterno attraverso le aperture poste in basso, mentre aria calda entra nella cavità attraverso le aperture poste in alto. I condotti giungono negli scantinati delle ville, i quali comunicano con gli ambienti del piano sovrastante attraverso rosoni in marmo o pietra, forati, posti sul pavimento. La regolazione veniva effettuata mediante l’apertura e chiusura di porte e sportelli; attualmente il sistema è largamente degradato fino ad essere stato reso inoperante in taluni casi, così che non si può più parlare di regolazione, se non per piccole parti. Nell’ambito della preparazione di una tesi di laurea sull’argomento, è stata effettuata una raccolta di dati sperimentali per verificare l’efficacia del sistema. La temperatura dell’aria nel covolo è risultata molto stabile, con valori compresi tra 10 e 11,5°C, mentre la temperatura media dell’aria esterna mostrava oscillazioni tra 25 e 4°C, con escursioni giornaliere di 8-12°, tanto da registrare valori massimi di 34°C (inizio di agosto) e minimi inferiori allo zero. Nel suo tragitto dal covolo a una delle ville l’aria aumenta di temperatura, passando da 11,5°C nel covolo, a 12-13°C nel ventidotto, a valori di 13-14°C in corrispondenza del flusso attraverso il rosone. La velocità dell’aria varia, ovviamente, a seconda della sezione, ma anche in dipendenza della differenza di temperatura tra aria esterna ed aria nel covolo, essendo proprio questa differenza la causa del moto, con un legame di proporzionalità diretta.

Per valutare gli effetti di questa circolazione di aria fresca sulle condizioni all’interno degli edifici prendiamo in considerazione alcuni giorni di agosto, in cui la temperatura esterna era compresa tra 23,5 35°C; la temperatura del locale superiore al covolo si manteneva intorno ai 22°C quando la porta tra gli ambienti era chiusa, per scendere e stabilizzarsi a valori attorno ai 16°C, mantenendo la porta aperta. 4

Allorché l’aria esterna assume valori di temperatura inferiori a quelli nel covolo, la circolazione dell’aria cambia di verso: in queste condizioni i rosoni e le porte vengono chiusi per evitare che l’aria calda venga aspirata dagli edifici verso il covolo.

Il rosone di Villa Trento

Sezione del sistema di circolazione dell’aria nei Covoli

4 A. Fanchiotti, I “covoli”, in Spazio e società, n. 19,1982

80

4.2 Lo scambio termico edificio-terreno: principi e tecnologie

Contatto diretto

Tecnologie di controllo dello scambio termico:contatto diretto e accoppiamento indiretto

La valutazione quantitativa dello scambio termico tra edificio e terreno è stata oggetto, nelle zone a clima temperato e freddo, di minore attenzione rispetto allo scambio tra edificio e ambiente ( aria), per due ordini di ragioni: la scarsa incidenza delle dispersioni termiche verso il terreno rispetto a quelle verso l’ambiente, durante la stagione di riscaldamento; la scarsità di dati sperimentali sulla temperatura del terreno, a differenza della sistematicità del rilevamento di dati sulla temperatura dell’aria esterna.5

Negli ultimi anni, una crescente consapevolezza della necessità di considerare gli scambi termici nell’arco dell’intero anno, al fine di utilizzare al meglio gli apporti energetici naturali per la riduzione del carico termico complessivo, ha indotto una maggiore attenzione nella valutazione sia delle dispersioni invernali tra edificio e terreno, sia delle possibilità di utilizzare il terreno come pozzo termico per il raffrescamento estivo. Al contrario di quanto comunemente si pensa, infatti, la terra non è un buon materiale isolante; essa rappresenta però un eccellente moderatore delle fluttuazioni termiche6; da ciò risulta che il contatto di un edificio con il terreno può essere, a certe condizioni, sia fonte di calore nel periodo invernale che di raffrescamento in estate. Le tecnologie di controllo dello scambio termico edificio-terreno , a fini di climatizzazione, si caratterizzano in relazione a due modalità di rapporto: - contatto diretto - accoppiamento indiretto tramite scambiatori di calore terreno-aria o terreno-acqua Al di là del semplice appoggio, in cui lo scambio edificio-terreno viene ridotto al minimo, il contatto diretto edificio terreno può assumere varie configurazioni, legate al tipo dell’ edificio ipogeo o semi-ipogeo. L’efficacia relativa delle varie configurazioni, in termini di conservazione energetica e di controllo delle condizioni climatiche interne, dipende dall’estensione della superficie di contatto: obiettivo primario delle tecniche di raffrescamento per contatto diretto con il terreno è l'incremento della quota di scambio conduttivo, che produce, d'estate, un abbassamento della temperatura interna, in quanto viene aumentata la parte di involucro che scambia calore con un medium (il terreno) a temperatura più bassa dell'aria esterna.

5 M. Grosso, Principi e tecniche di controllo dello scambio termico edificio-terreno, in Ambiente costruito n. 1/1997 6 M. Bottero, G. Rossi, G. Scudo, G. Silvestrini, Architettura solare: tecnologie passive e analisi costi-benefici, CLUP, pag. 272

81

L’intento, nella scelta di una configurazione ascrivibile al tipo ipogeo, è quello di massimizzare lo sfruttamento dell’inerzia termica e della protezione fornita dal terreno, attuando nello stesso tempo una scelta di mimesi nei confronti del contesto ambientale e paesaggistico. Logica che è all’opposto nella realizzazione di un edificio fuori terra, nel quale si cerca di separare lo spazio abitato dal terreno con vani di servizio, allo scopo di limitare alcuni inconvenienti tipici del contatto diretto, soprattutto in climi freddo-umidi, quali le infiltrazioni di umidità. Il dibattito sulla scelta del tipo ipogeo coinvolge un campo problematico ben più ampio di quello energetico, toccando argomenti di natura tipologico-architettonica, psicologico-ambientale e anche di organizzazione territoriale. Schematizzando, i principali vantaggi dell'edificio ipogeo sono: a) minore consumo energetico per la diminuzione degli apporti solari, assorbiti dalla massa del terreno (e ancor di più, dalla vegetazione sovrastante) b) basso impatto visuale ed integrazione paesaggistica naturale; c) preservazione degli spazi all'aperto e del verde, dovuta all'incremento della superficie piantumata (tetti-giardino); d) controllo dell'inquinamento acustico e delle vibrazioni; e) esigenze di manutenzione ridotte, per minore esposizione delle strutture edilizie agli agenti atmosferici; I principali svantaggi, invece, sono: a) i costi di costruzione, che possono essere più elevati di quelli degli edifici convenzionali, in relazione al carico strutturale delle pareti contro terra e del tetto vegetale; b) la riduzione dell'illuminamento naturale, con conseguente incremento del fabbisogno di energia elettrica per l'illuminazione; c) problemi di innalzamento dell’umidità relativa e potenziale bassa qualità dell'aria interna, connessa con le caratteristiche di alta tenuta all'aria dell'edificio ipogeo e di minore possibilità di ventilazione naturale; (svantaggi che possono essere evitati adottando opportune tecniche di ventilazione, come vedremo). d) problemi di tipo psicologico-percettivo7

Nei sistemi a scambio termico indiretto tra edificio e terreno il trasferimento del calore tra ambiente interno e terreno avviene per mezzo di un fluido, generalmente aria o acqua. L’accoppiamento indiretto tramite condotte interrate, che agiscono come scambiatori di calore terreno-aria, avviene facendo circolare aria all’interno di tali condotti tramite un ventilatore o sistemi passivi operanti per effetto Bernoulli-Venturi o effetto camino. D’estate l’aria si raffredda per contatto con la superficie interna delle condutture stesse, che a loro volta cedono calore al terreno, e viene poi immessa negli ambienti interni dell’edificio.

Matmatà, Tunisia

Accoppiamento indiretto

7 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli editore, Rimini, pag. 387

82

Come descritto nel capitolo precedente, tale tecnologia ha precedenti storici interessanti nell’architettura tradizionale iraniana. Esistono due varianti del sistema di raffrescamento a scambio termico indiretto edificio-terreno:

- ciclo chiuso: il sistema raffresca l’aria interna all’edificio tramite le condotte interrate; il fabbisogno di ventilazione deve essere soddisfatto separatamente.

- ciclo aperto si unisce la funzione di raffrescamento a quella di ventilazione, immettendo nell’ambiente aria esterna dopo averla raffrescata tramite il passaggio nel terreno.

La possibilità di integrazione del sistema a ciclo aperto con altri sistemi di raffrescamento passivo e ventilazione, quali per esempio le torri di captazione e estrazione dell’aria, rende tali sistemi un’alternativa praticabile al condizionamento artificiale.

4.3 Il raffrescamento per scambio termico con il terreno nell’architettura contemporanea: potenzialità e applicazioni

Come abbiamo visto precedentemente, lo sfruttamento dello scambio termico edificio-terreno di tipo indiretto non implica le scelte tipologico-architettoniche del tipo diretto, e risulta più facilmente applicabile ai fini di climatizzazione. L’applicazione di sistemi di raffrescamento passivo tramite scambiatori di calore suolo-aria, ovvero condotti sotterranei con circolazione d’aria, è ancora piuttosto occasionale in Europa, pur rappresentando in alcune zone climatiche un potenziale efficace mezzo di raffrescamento a costo energetico minimo.8

L’efficacia energetica dipende dalle condizioni climatiche, come per tutti i sistemi di climatizzazione passiva. Nelle aree caldo-secche e temperato-calde, come per esempio l’area del Mediterraneo, tale strategia, se associata allo sfruttamento solare e alla ventilazione, può garantire condizioni di comfort termico interno senza necessità di integrazione energetica esogena. Nei climi temperato-freddi e freddi, tipici delle zone interne e settentrionali dell’Italia, l’apporto termico determinato dallo scambio edificio-terreno non è sufficiente a garantire condizioni di comfort invernali, mentre rappresenta un sistema efficace per il raffrescamento estivo. Una caratteristica che pone il sistema di raffrescamento tramite condotti sotterranei un’interessante alternativa al condizionamento artificiale è la sua possibilità di integrazione con la ventilazione, sfruttando forze naturali quali l’effetto-camino e l’effetto Bernoulli-Venturi. L’associazione di tali sistemi consente di eliminare, o diminuire considerevolmente, l’ utilizzo di energia esogena per il raffrescamento estivo.

8 M. Grosso, Principi e tecniche di controllo dello scambio termico edificio-terreno, in Ambiente costruito n. 1/1997

83

4.4 Paradigmi

4.4.1 L’”Air lake”: M. Cucinella Universita’ di Cipro, Nicosia, 1992

Planimetria del progetto Descrizione

L’obbiettivo dei progettisti nell’affrontare il concorso per il Master Plan dell’Università di Cipro era quello di creare un edificio che si adattasse alla topologia e al paesaggio, e che utilizzasse al massimo le forze naturali come il sole e il vento al fine di ridurre il consumo delle energie non rinnovabili. Il progetto può essere letto secondo due dimensioni: quella orizzontale e quella verticale. Lo sviluppo orizzontale determina la morfologia dell’edificio nel territorio e la distribuzione degli spazi, che avviene attraverso una galleria che percorre l’edificio in tutta la sua lunghezza. La dimensione verticale è definibile come una serie di “strati” sovrapposti, ognuno con un preciso ruolo funzionale relazionato al controllo microclimatico interno. Lo strato superiore è un sistema di copertura modulare con funzione di “moderatore climatico”: essa è costituita da elementi l’accumulo di calore all’interno dell’edificio grazie alla loro massa termica e all’ombreggiamento che forniscono; la parte inferiore degli elementi mobili contribuisce inoltre a diffondere la luce naturale negli ambienti.

Lo strato inferiore è costituito dall’”Air Lake”1, un’ intercapedine d’aria posta nelle fondazioni dell’edificio a contatto con il terreno, il cardine della strategia di climatizzazione, che prevede la ventilazione associata allo scambio termico edificio-terreno. Sfruttando la capacità del terreno di mantenere una temperatura pressoché costante, l’aria nell’intercapedine viene raffrescata in estate e riscaldata d’inverno, garantendo

Schizzo di studio dell’”Air Lake”

Sezione sull’atrio a doppia altezza

1 cfr S. Agabio, E. Badano, Mario Cucinella, Maggioli editore, Rimini,1999, pag. 78

86

condizioni di comfort per buona parte dell’anno, se si considera il clima caldo dell’isola. La strategia dell’Air Lake è stata sviluppata assieme allo studio Ove Arup & Partners con l’utilizzo di software in grado di simulare in modo dinamico i movimenti dell’aria all’interno dello spazio, tenendo conto delle caratteristiche termiche dei materiali e delle fonti di calore interne ed esterne. La simulazione delle temperature ha permesso di prevedere che le temperature interne possono restare attorno ai 27°C, con valori esterni superiori ai 35°C senza alcun utilizzo di energia, ma solo grazie alla forma dell’edificio.2

2 cfr S. Agabio, E. Badano, Mario Cucinella, Maggioli editore, Rimini,1999, pag. 79

87

Planimetria dell’area

Plastico del progetto


Estate giorno: l’aria fresca esterna, a 40°C circa, viene prelevata dalle torri di captazione del vento dominante proveniente da nord e convogliata nell’intercapedine a contatto con il terreno; la temperatura costante del suolo, tra i 15° e i 18°C, permette l’abbassamento della temperatura dell’aria che viene mandata negli ambienti tramite delle griglie nei solai. L’immissione d’aria viene attivata in modo naturale dall’effetto-camino che si instaura aprendo i lucernari in copertura, dai quali esce l’aria viziata. In assenza di vento vengono azionati dei ventilatori per catturare aria, alimentati dall’energia prodotta da celle fotovoltaiche sulla copertura di ciascuna delle torri del vento. Questi garantiscono la massima potenza nei momenti in cui l’irraggiamento solare è più forte, proprio quando è maggiore il fabbisogno di raffrescamento Estate notte: l’andamento della ventilazione è analogo a quello diurno. Inverno giorno: il sistema è analogo, garantendo un ricambio d’aria senza eccessivi sprechi di energia, e in modo naturale: l’aria fresca esterna, a 10°C circa, viene prelevata dalle torri di captazione del vento dominante proveniente da nord e convogliata nell’intercapedine a contatto con il terreno; la temperatura costante del suolo, tra i 15° e i 18°C, permette l’innalzamento della temperatura dell’aria che viene mandata negli ambienti tramite delle griglie nei solai. Il carico di riscaldamento viene diminuito dall’apporto solare passivo attraverso gli elementi vetrati della copertura. Inverno notte: l’andamento della ventilazione è analogo a quello diurno.

88

Estate

Inverno

Denominazione: Università di Cipro Localizzazione: Nicosia, Cipro Progettista: M. Cucinella Anni di costruzione: 1992 Destinazione d’uso: campus universitario latitudine: 35 09 N longitudine: 033 16 E altitudine: 233 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 36°C Temperatura min.: 20°C Temperatura media: 28°C N. giorni con t⟩ 32°C: 100 Inverno Temperatura max.: 14°C Temperatura min.: 5°C Temperatura media: 9°C Precipitazione media annuale (mm): 360 N. giorni di pioggia all’anno: 29 Velocità media del vento( Km/h): dato non disponibile CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord-ovest/sud-est DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 2 Superficie totale edificio: 100000 mq Volume totale edificio:330000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: a travi e pilastri in cemento armato PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: dato non disponibile PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato COPERTURA: alcune parti in tegole di cemento armato precompresso su struttura in cemento armato; altre in vetro su struttura in acciaio con elementi ombreggianti in cemento

89


VENTILAZIONE: naturale (passiva) naturale assistita da ventilatori integrata (ibrida),

IMMISSIONE DELL’ARIA periodofinestre



estate+inverno

intercapedini a contatto con il terreno estate+inverno


com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one

tetto ventilato wind catcher estate+inverno

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

altr

i co

mpo

nent

i

ventilatori in assenza di vento

cont

rollo

manuale automatico

ESTRAZIONE DELL’ARIA periodo finestre



lucernari apribili estate+inverno

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

altr

i co

mpo

nent

i

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

90

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore recuperatori di calore SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo → piante nell’atrio raffrescamento per scambio termico con il terreno → intercapedine a contatto con il terreno SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - S. Agabio, E. Badano, Mario Cucinella, Maggioli editore, 1999, pag. 75-89 - M. Santamouris, Natural ventilation in buildings, a design handbook, James&James, London, 1998, pag. 250-251 - M. Vitta, Space and Light, L’arca edizioni. - C. Maranzana, Cronache di gioie e dolori, in Costruire n. 179/1998, pag. 36-39

91


4.4.2 La “memoria termica” del sottosuolo: M. Nodari, M. Gasparotti , Edificio per ergoterapia Darfo Boario Terme, 2000

Vista dell’edificio da sud

Descrizione del progetto

L’edificio si trova alle pendici delle montagne che costituiscono l’arco prealpino, su una piccola increspatura al centro della Valle Canonica; il clima è decisamente favorevole, con temperature invernali fredde ma non rigide e con giornate calde, ma raramente afose. L’obiettivo di questo centro curativo è quello di aiutare i degenti a rimettersi in equilibrio con i ritmi della natura, con le sue variazioni quotidiane e stagionali, per garantire il terreno migliore sul quale le terapie mediche possano costruire i propri risultati. Quest’ idea, che ispirò architetture famose come il sanatorio finlandese di Paimio progettato da Aalto, porta l’edificio a recuperare il rapporto con la natura e con l’esterno. L’intervento è costituito da un volume di nuova edificazione, caratterizzato da una chiara vocazione bioclimatica, collegato a un edificio esistente, ristrutturato, attraverso un corpo con servizi in comune. L’edificio è orientato con l’asse maggiore nella direzione est-ovest, esposto in modo ottimale alla radiazione solare, senza ostruzioni all’orizzonte; presenta ampie superfici trasparenti verso sud, opportunamente schermate da aggetti fissi; i materiali di facciata, legno, pietra, metallo e intonaco, sono accostati sui vari prospetti in modo da realizzare un involucro completamente ventilato, sia lungo le pareti che sulla copertura. Il sistema di controllo delle condizioni termiche in estate è molto interessante e si basa su un sistema di scambio termico indiretto edificio-terreno, in cui l’aria è il mezzo di trasferimento del calore. La strategia sfrutta l’aria proveniente da una cavità

92

esistente del terreno poco distante, che fa parte di un sistema di polveriere risalente alla seconda guerra mondiale; la cavità rocciosa è stata collegata all’edificio con un canale artificiale di circa 35 m di lunghezza e 18 cm di diametro attraverso il quale l’aria viene aspirata alla velocità di circa 7 m/s per essere quindi rallentata e immessa negli spazi del piano superiore attraverso una bocchetta su una parete. In questo contesto climatico, l’utilizzo di un sistema di raffrescamento che sfrutta il terreno, associato alla ventilazione , al controllo della radiazione solare e ad un dimensionamento della massa termica di accumulo, risulta efficace nel garantire condizioni di comfort estivo, senza ricorrere ad un sistema di condizionamento tradizionale, che comporta un notevole consumo di energia.

93


Sezione: schema del funzionamento invernale


Estate giorno: i sistemi di schermatura fissa e i sistemi di ombreggiamento mobili regolabili intercettano la radiazione solare diretta; le pareti esterne della serra vengono aperte realizzando una loggia ombreggiante. Nelle ore più calde della giornata viene attivato il sistema di ventilazione naturale, che sfrutta l’aria fredda proveniente dalla cavità nel terreno immessa negli ambienti tramite una bocchetta; l’aria viene espulsa dai serramenti apribili a vasistas della parte superiore della serra. Estate notte: utilizzando lo stesso canale artificiale, l’aria esterna viene immessa negli ambienti in modo da raffreddare e preparare le strutture dell’edificio al funzionamento diurno.Inverno giorno: il sistema di scambio termico con il terreno non viene usato, perché le temperature dell’aria esterna sono troppo basse per produrre un innalzamento necessario di temperatura dell’aria immessa nei locali, tale da garantire il comfort interno degli occupanti. L’energia solare incidente viene raccolta attraverso le ampie vetrate a sud, accumulandola in particolare nella serra e nei due pilastri in calcestruzzo che la delimitano: questo permette inoltre di preriscaldare l’aria per il ricambio in modo naturale. La riduzione dei consumi energetici invernali è attuata attraverso la modulazione delle condizioni termiche negli spazi ad uso discontinuo: la temperatura del vano-scala viene mantenuta mediamente a valori inferiori di 2° C rispetto a quella degli ambienti utilizzati con continuità, e durante la notte c’è un’attenuazione delle temperature maggiore che in un edificio convenzionale.

Particolare delle vetrate del prospetto sud

Sezione: schema del funzionamento estivo

Inverno notte: le masse murarie interne rilasciano lentamente il calore e vi è un’attenuazione delle temperature interne sia negli spazi principali che negli spazi tampone (scale) per ridurre i consumi energetici.

94

Denominazione: Edificio per ergoterapia Localizzazione: Darfo Boario Terme, Italia Progettista: M. Nodari, M. Gasparotti Anni di costruzione: 1998-2000 Destinazione d’uso: centro di cura latitudine: 46 45 N longitudine: 010 10 E altitudine: 300 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 27°C Temperatura min.: 17°C Temperatura media: 22°C N. giorni con t⟩ 32°C: Inverno Temperatura max.: 7°C Temperatura min.: -2°C Temperatura media: 3°C Precipitazione media annuale (mm): dato non disponibile N. giorni di pioggia all’anno: dato non disponibile Velocità media del vento( Km/h): dato non disponibile CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord/sud DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 3 Superficie totale edificio: 700 mq Volume totale edificio:2100 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in cemento armato PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: in muratura di laterizi con facciata ventilata; i rivestimenti sono in pietra, metalli, legno e intonaco. PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in latero-cemento COPERTURA: ventilata con struttura in legno e rivestimento in metallo

95


VENTILAZIONE: naturale (passiva) naturale assistita da ventilatori integrata (ibrida), cioè alternanza di due strategie autonome a

seconda della zona dell’edificio e/o del periodo



tutto l’anno tutto l’anno


per il raffrescamento estivo dalla cavità naturale nel terreno


com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher

serra inverno

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori per il raffrescamento estivo dalla cavità naturale nel terreno

cont

rollo

manuale automatico

ESTRAZIONE DELL’ARIA periodo finestre


inverno


lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes

serra estate

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

96

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore recuperatori di calore SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo

raffrescamento per scambio termico con il terreno → cavità naturale a contatto con il terreno

facciata ventilata tetto ventilato

SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - A. Rogora, Edificio per ergoterapia a Darfo, in Ambiente costruito, n.2/2000, pag. 32-37 - A. Rogora, Sul raffrescamento naturale, in L’architettura naturale n.15/2002, pag. 32-33

97


CAPITOLO V

IL SOLE: IL CONTROLLO DELLA RADIAZIONE SOLARE

5.1 Il controllo solare nell’architettura tradizionale

Nei paesi a clima caldo il controllo della radiazione solare costituisce una necessità di primaria importanza al fine di garantire delle buone condizioni di benessere interno. La tipologia a patio e/o a corte costituisce una strategia di adattamento degli edifici ai climi caldo-secchi e da origine al caratteristico tessuto urbano compatto, adatto a difendersi dal sole, diffuso in tutta l’area del Mediterraneo. La casa a corte si basa sull’organizzazione degli ambienti interni attorno ad uno spazio aperto (detto patio nel caso sia coperto), che funziona come elemento di regolazione termica, minimizzando il guadagno solare. L’effetto ambientale del patio è quello di creare un microclima relativamente controllato che ha la funzione di filtro tra le condizioni esterne e quelle interne, dal punto di vista termoigrometrico, acustico e luminoso.

La tipologia a patio nell’area del Mediterraneo

La mashrabìya nella tradizione mediorientale

Per difendersi dal sole il carattere principale è il rapporto tra forma e dimensioni, in pianta e in sezione, della corte, che normalmente non varia più del 50-60%; questo significa, per edifici a due piani di altezza media (7-8 m), una forma rettangolare (con il lato maggiore orientato in asse NE-SO) e una dimensione media di 30-40 mq. Un rapporto superficie corte/altezza piani maggiore di 4-5 risulta al di fuori dei caratteri ambientali di un clima caldo, e più adatto a climi temperati, nei quali è prevalente la soluzione di esporsi al sole. Un altro carattere importante è l’apertura della corte a livello della copertura, che ha sempre una superficie inferiore rispetto a quella del piano terra. Spesso nel patio c’è una fontana, o uno specchio d’acqua, e della vegetazione, elementi che modificano la temperatura e l’umidità dell’aria, migliorando il microclima dell’edificio. L’azione di raffrescamento evaporativo di questi elementi naturali, unita all’effetto ombreggiante caratteristico della corte, contribuiscono a diminuire la temperatura di quest’ ultima favorendo la ventilazione tra le zone dell’edificio a temperature diverse. In particolare il sistema a patio produce di notte un flusso d’aria che si instaura per effetto camino tra la strada adiacente all’edificio, più fresca, e la struttura muraria della parte alta del patio, che è più calda. Alla tradizione mediorientale appartengono alcuni elementi dell’involucro edilizio, che hanno la principale funzione di controllo della radiazione solare, e quindi del microclima interno in generale. La mashrabìya è un elemento di facciata che sembra essere stato introdotto nell’area mediorientale con la dominazione dei Turchi all’inizio del XVI secolo. Questi giungevano da terre con un clima caldo-umido dove, per avere locali confortevoli, venivano realizzate ampie aperture verso l’esterno. Ma nei paesi dominati il caldo era secco e lo stesso stile di vita musulmano

100

non permetteva questa apertura verso l’esterno, poiché veniva a mancare la privacy. Tale situazione fu ovviata realizzando ampie aperture ma proteggendole con degli schermi lignei, in grado di ostacolare la vista dall’esterno verso l’interno, e di filtrare il passaggio della luce.1 Fino al secolo scorso, veniva definito mashrabìya un ambiente creato a sbalzo collocato ai piani superiori degli edifici, chiuso da pannelli di legno grigliati, dove venivano generalmente poste delle giare piene d’acqua, con la funzione di raffrescare per evaporazione l’aria passante attraverso le aperture del pannello. Oggi il termine mashrabìya è attribuito a qualsiasi apertura dotata di schermo costituito da listelli di legno a sezione circolare, disposti a intervalli regolari in modo da creare pannelli geometrici estremamente decorativi. Le caratteristiche di raffrescamento e umidificazione dipendono dal materiale usato, il legno: durante la notte il vento che passa attraverso gli interstizi rilascia parte della sua umidità ai listelli di legno; quando la mashrabìya è colpita dai raggi solari, rilascia l’umidità all’aria all’interno degli ambienti. Un elemento di schermatura simile alla mashrabìya è il claustrum, che però ha origini più antiche. A seconda delle popolazioni e dei luoghi, è realizzato in diversi materiali, dalla terra intonacata alla ceramica, dalla pietra al ferro lavorato. Un esempio di claustrum molto elaborato è quello della Moschea di Al-Rifa’i al Cairo, risalente alla fine del XIX secolo, realizzato con elementi in ferro battuto di forme simmetriche variabili, costituenti una trama complessa, caratteristica del decorativismo arabo. 5.2 Il controllo della radiazione solare per il

raffrescamento passivo

La presenza di elementi trasparenti nell’involucro di un edificio rende necessario un sistema di protezione per regolare il passaggio della luce e del calore dall’esterno all’interno. Ai fini del raffrescamento, la creazione di spazi d’ombra a ridosso dell’edificio è molto importante, non solo per proteggere le aperture, ma le parti di involucro, che, se esposte all’irraggiamento diretto, trasferirebbero il guadagno termico all’ambiente interno. Inoltre questi spazi in ombra sono soggetti ad un abbassamento della temperatura, innescando così dei flussi d’aria attraverso le zone dell’edificio a temperature diverse (es. tra quelle esposte alla radiazione solare diretta e quelle protette). In assenza di vento un sistema di controllo della radiazione solare può quindi favorire in modo efficace la ventilazione naturale degli ambienti, contribuendo a migliorare

Mashrabìya al Cairo

Spazio esterno ombreggiato

1 M. Grosso, M. Perin-Bert, Il raffrescamento passivo nell’architettura mediorientale tradizionale, pag. 162, in M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli editore, Rimini,

101

la sensazione di confort degli occupanti e a dissipare il calore all’interno di un edificio. Un sistema di controllo deve però favorire il passaggio della radiazione in inverno, periodo in cui l’edificio trae un notevole guadagno termico dall’irraggiamento diretto, soprattutto attraverso le parti trasparenti. Altro compito delle schermature è quello di modulare l’ingresso della luce all’interno degli ambienti, a seconda delle esigenze degli utenti, delle stagioni e dei momenti della giornata; tale funzione è fondamentale se determinata dalla volontà di sfruttare il più possibile la luce naturale, scelta che contribuisce a ridurre il carico termico interno di un edificio e quindi la necessità di raffrescamento estivo. 5.3 Sistemi di schermatura

Una schermatura solare può essere definita come un sistema progettato per controllare il passaggio della radiazione solare attraverso una superficie edilizia, in determinati periodi del giorno o dell’anno. A questa categoria appartengono dunque sia gli elementi che fanno parte della chiusura esterna trasparente, detti schermi integrati nell’infisso, che elementi dell’involucro adiacenti all’apertura stessa, detti frangisole. La scelta del tipo di schermo deve essere effettuata in base alle proprietà termofisiche dei materiali (particolarmente, i coefficienti di assorbimento e di emissività), alle esigenze di illuminazione naturale dell’ambiente in esame, e alla valutazione dei periodi, a seconda della stagione, in cui l’apertura deve essere ombreggiata o non. All’interno di ogni tipologia, gli schermi possono essere suddivisi dal punto di vista della geometria, della posizione e della gestione. Dal punto di vista della geometria le schermature si dividono in orizzontali e verticali. La geometria della schermatura, oltre naturalmente all’orientamento della parete su cui viene posto lo schermo, influisce sulla determinazione dei periodi in cui l’apertura deve essere ombreggiata: a seconda delle esigenze, dunque, si deve scegliere la geometria dello schermo avvalendosi delle maschere d’ombra relative a ciascun tipo.

Dal punto di vista della posizione le schermature si dividono in esterne e interne. Gli elementi esterni sono più efficaci ai fini del controllo termico; quelli interni, più facilmente operabili e meno costosi dei precedenti, possono essere usati in zone dove il controllo solare non è un fattore prioritario, in ambienti con una finestratura ridotta, oppure associati a quelli esterni per una migliore regolazione dell’intero sistema.

Tipi di schermature e relative maschere di ombreggiamento: da sinistra, orizzontale, verticale, a carabottino

Dal punto di vista della gestione le schermature si dividono in fisse e operabili.

102

Il frangisole è il dispositivo architettonico per eccellenza destinato a controllare gli effetti del soleggiamento, in particolare quelli termici. La collocazione del frangisole, all’esterno della parete, a una certa distanza dalle superfici vetrate, fa sì che i raggi solari vengano intercettati prima che raggiungano l’edificio, provocandone il riscaldamento: la maggior parte della radiazione solare viene direttamente riflessa dallo schermo, mentre una quota è assorbita e si trasforma in calore. Dato che lo schermo è all'esterno, il calore si disperde nell'atmosfera ed è trasmesso alle strutture murarie solo attraverso i punti di fissaggio dello schermo, quindi per una quota minima. Il frangisole, se accuratamente progettato, è in grado di fornire un comportamento differenziato nell'arco dell'anno, escludendo la radiazione solare in estate e consentendone, invece, l'ac-cesso in inverno. I frangisole possiedono forti valenze espressive e sono in grado di caratterizzare fortemente l'immagine esterna di un edificio. Sono classificati 2secondo: - la collocazione del piano formato dai vari elementi, che può essere ortogonale alla parete o parallelo alla parete; - la disposizione dei singoli elementi nel piano formato dagli stessi, che può essere orizzontale, verticale, inclinata, o loro varie combinazioni; - la possibilità o meno di orientare i singoli elementi con comando a distanza. Il frangisole orizzontale ortogonale alla parete, è un elemento fissato all'esterno della parete, in prossimità dell'architrave del vano finestra. La collocazione, in adiacenza al margine superiore dell'apertura, in una posizione al di fuori del campo visivo dell'utente, non modifica ne disturba la visione dell'esterno offerta dall’apertura. Il tipo orizzontale parallelo alla parete, costituito da lamelle orizzontali, collocate frontalmente alle superfici vetrate e contenute in un telaio perimetrale fissato alla parete, ostacola maggiormente la visione verso l’esterno.

Frangisole

Frangisole orizzontali

Per quanto riguarda il controllo solare, l'uso dei frangisole orizzontali nelle esposizioni a sud, o prossime al sud, rende possibile escludere la radiazione solare nel periodo estivo e consentire, invece, al sole, di raggiungere le superfici vetrate nel periodo invernale. L’efficacia di tale dispositivo, valutabile mediante la maschera di ombreggiamento, dipende dalla sua profondità in rapporto all’altezza della finestra e da quella del relativo sopraluce opaco.3

Valenza espressiva dei frangisole: il Museo di arte contemporanea di R. Meier a Barcellona, vista dell’interno Per evitare aggetti molto profondi spesso si colloca il frangisole

in posizione inclinata, in modo da avere la medesima capacità schermante con una minore sporgenza in facciata. 2 Le chiusure verticali, serie Quaderni del manuale di progettazione edilizia, Hoepli, Milano, 2002 3 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli editore, Rimini, pag. 327

103

Il frangisole verticale può essere un elemento fisso all’esterno della parete (tipo ortogonale) o può essere costituito da lamelle verticali contenute in un telaio fissato alla parete (tipo parallelo).

Frangisole verticali

Frangisole a carabottino

Tale dispositivo scherma efficacemente i raggi solari che provengono lateralmente rispetto al piano della facciata, ed è dunque utile per esposizioni est e ovest; se il dispositivo è fisso la radiazione solare viene schermata nelle ore centrali della giornata sia in estate che in inverno, diminuendo l’apporto termico passivo. Gli schermi a carabottino sono una combinazione dei tipi verticali e orizzontali, e sono quindi indicati per esposizioni sud-est e sud-ovest, nelle quali realizzano un buon controllo solare estivo consentendo un certo grado di soleggiamento invernale, a questo proposito, al solo fine del controllo solare, il frangisole dovrebbe assumere una geometria asimmetrica, con la parte verticale su un solo lato della finestra. Il tipo a carabottino parallelo alla parete è costituito da una maglia di lamelle che possono essere mobili in un senso e fisse (di supporto) nell’altro: per le esposizioni più vicine a sud, sono preferibili i carabottini con lamelle orizzontali orientabili, per le esposizioni più vicine ad est e ovest, è meglio adottare il tipo con lamelle verticali orientabili. Nelle tabelle qui sotto sono schematizzati i principali tipi di schermature orizzontali, verticali e a carabottino, con le relative maschere d’ombra e caratteristiche.

104

I principali tipi di schermi integrati nell’infisso sono:4

- imposte: sono formati da una o più ante mobili collocate all’esterno, che possono essere a superficie continua (antoni) o formate da un telaio e da elementi laminari inclinati, anche orientabili (persiane). Tali dispositivi, visto il tipo di maschera di ombreggiamento, hanno efficacia massima nelle esposizioni est e ovest. Le imposte con ante a rotazione, dotati di dispositivi di bloccaggio dell’anta in posizione intermedia, consentono di escludere la radiazione solare diretta conservando una buona illuminazione naturale degli ambienti. Le persiane consentono di regolare il passaggio della luce fino ad azzerarlo completamente; inoltre la presenza di un imposta migliora le prestazioni di isolamento termico notturno, limitando le dispersioni dovute all’irraggiamento attraverso il vetro. - persiane avvolgibili: al fine del controllo solare per il raffrescamento estivo, le persiane presentano uno svantaggio, cioè non consentono di evitare la penetrazione del sole diretto conservando un buon livello di illuminazione all’interno; l’unico tipo che garantisce questa funzione è l’avvolgibile con telaio a sporgere, attualmente poco utilizzato. Le persiane avvolgibili, a differenza delle imposte, sono però facilmente manovrabili dall’interno a serramento chiuso. - veneziane: possono essere posizionate all’esterno, all’interno o nell’intercapedine di vetrate isolanti. Il tipo esterno consente un’ottima regolazione della luminosità e un validissimo controllo solare: i raggi solari vengono intercettati prima che raggiungano la superficie vetrata, innescando i conseguenti effetti termici; la regolazione delle lamelle permette di escludere la radiazione nel periodo estivo,

Schermi integrati nell’infisso

4 Le chiusure verticali, serie Quaderni del manuale di progettazione edilizia, Hoepli, Milano, 2002, pag.114

105

mentre in inverno lo schermo viene riavvolto completamente lasciando la superficie vetrata interamente esposta al sole. Le veneziane inserite nell’intercapedine comportano alcuni problemi di tenuta e di manutenzione. Infatti, dato che la camera interna della vetrata isolante deve essere accuratamente sigillata, per evitare il deposito di polvere o la formazione di condensa, l’uso di questo tipo di schermi è ostacolato dalle difficoltà di realizzazione dei rimandi per le manovre: i fori per il passaggio dei cavi di comando creano infatti problemi di tenuta. Buone garanzie di funzionamento nel tempo si hanno con i tipi fissi, che non possono essere raccolti superiormente, nei quali l’inclinazione delle lamelle è regolabile con un magnete.5

Dal punto di vista termico, non è del tutto evitato l’aumento di temperatura dovuto alla radiazione solare: i raggi infatti surriscaldano la veneziana e il calore che si accumula nell’intercapedine viene in parte ceduto all’interno. Un simile comportamento subisce la veneziana collocata all’interno, che cede direttamente all’ambiente il calore accumulato. - tende: i tipi esterni più semplici sono quelli avvolgibili che si abbassano rimanendo paralleli al serramento: il grado di protezione solare dipende dalle caratteristiche del tessuto impiegato. I tessuti in filo di vetro rivestito in PVC consentono un fattore solare (rapporto tra l’energia totale trasmessa verso l’interno ed energia incidente) di 0.2, con fattori di trasmissione luminosa del 10%.6

I tipi più complessi sono quelli a sporgere, che proteggono in modo molto efficace dalla radiazione solare garantendo una buona immissione di luce e di aria per la ventilazione. Le tende interne non sostituiscono gli schermi esterni, ma regolano la luminosità degli ambienti e proteggono dalla vista dall’esterno.

5 Le chiusure verticali, serie Quaderni del manuale di progettazione edilizia, Hoepli, Milano, 2002, pag. 117 6 Le chiusure verticali, serie Quaderni del manuale di progettazione edilizia, Hoepli, Milano, 2002, pag. 117

106

5.4 Il controllo della radiazione solare nell’architettura contemporanea

L’istituto del Mondo Arabo a Parigi, progettato da J. Nouvel

La progressiva importanza assunta dagli elementi trasparenti nell’architettura contemporanea ha di pari passo contribuito al diffondersi di sistemi di controllo della radiazione solare, e di materiali e tecnologie espressamente orientate a questo scopo. Tali dispositivi, progettati al fine di evitare il surriscaldamento estivo delle strutture e degli ambienti interni, con le implicazioni energetiche e microclimatiche che ne seguono, sono ormai diventati veri e propri elementi del linguaggio dell’architettura, ad alta valenza espressiva. Un esempio emblematico è rappresentato dall’ Istituto del Mondo Arabo a Parigi, progettato da J. Nouvel. Presentiamo qui di seguito due edifici che affrontano il tema del controllo solare dal punto di vista delle implicazioni termiche e microclimatiche, ovvero come strategia associata a quella della ventilazione naturale, finalizzata al raffrescamento estivo.

107

5.5 Paradigmi

108

5.5.1 Elogio della leggerezza: Liceo A. Camus N. Foster & Partners Fréjus, 1993

La facciata sud caratterizzata dal brise-soleil Descrizione del progetto

L’edificio, destinato ad accogliere un Liceo per 900 studenti, è posizionato sulla sommità di un’altura da cui si gode di una incantevole vista sul mare e sul paesaggio collinare circostante. Il layout planimetrico è molto semplice, governato da uno schema modulare all’interno del quale la cellula-base, l’aula, si ripete lungo l’asse longitudinale dell’impianto. Tutti questi ambienti si aprono, all’interno, su una sorta di strada interna a doppia altezza che coincide con il fulcro attorno cui si svolge la vita sociale del Liceo. Poiché ci troviamo nel sud della Francia, l’edificio è stato pensato in maniera da ottenere un sistema di ventilazione che consente una fruizione confortevole degli spazi durante la stagione calda: il raffrescamento è realizzato attraverso la tecnica del camino solare, sfruttando non tecnologie ed impiantistiche d’appendice all’architettura ma l’architettura stessa, le cui forme, proporzioni e sviluppo consentono e facilitano i meccanismi fisici su cui il raffrescamento si basa. La protezione dalla radiazione solare è garantita da un sistema di brise-soleil posizionato sul lato sud dell’edificio che sovverte la composizione quasi del tutto simmetrica dell’insieme; esso si sviluppa secondo una direttrice inclinata che consente l’ombreggiamento durante l’estate e il passaggio dei raggi del sole durante l’inverno.

Vista del complesso dal lato sud

Nonostante l’edificio sia stato progettato con struttura in cemento armato per ottenere una massa termica in grado di assorbire le variazioni di temperatura, la forma e il linguaggio del progetto richiama alla mente il tema della leggerezza, caro a

Particolare della copertura

109

Foster, trascrizione architettonica di una funzionalità precisa, quella di proteggere l’edificio ed i suoi utenti.

110

Sezione trasversale

Prospetto sud


Planimetria


Prospettiva del brise-soleil

Estate giorno: la ventilazione è garantita dal flusso d’aria che entra dalle finestre sui lati nord e sud, viene richiamata attraverso aperture a vasistas nel corridoio dove, scaldandosi, sale naturalmente per l’effetto-camino e viene espulsa dalle aperture poste alla sommità. Le aule orientate a nord hanno una profondità maggiore di quelle esposte a sud, poiché per ottenere livelli uniformi di confort è necessario asportare una minore quantità d’aria. Il brise-soleil esterno protegge la facciata dalla radiazione solare incidente evitando che questa penetri all’interno degli ambienti provocando un surriscaldamento. E’ possibile ventilare anche la copertura, lasciando aperta l’intercapedine appositamente progettata. Estate no ett : per ragioni di sicurezza l’entrata dell’aria viene limitata alle aperture a vasistas nella parte superiore delle aule, in modo da rimuovere il calore accumulato dalle strutture durante il giorno. Inverno giorno: lo schema della ventilazione è analogo a quello estivo, ma il flusso d’aria entrante viene limitato alle sole aperture a vasistas nella parte superiore delle aule, in modo da garantire il ricambio d’aria minimo necessario. I brise-soleil lasciano penetrare i bassi raggi del sole che apportano il loro contributo al riscaldamento dell’edificio. Inverno notte: la massa termica, costituita dalla struttura in cemento armato, rilascia il calore che ha immagazzinato durante il giorno.

Schema dell’andamento della ventilazione

111

Dettaglio del brise soleil

Denominazione: Liceo A. Camus Localizzazione: Fréjus, Francia Progettista: N. Foster & Partners Anni di costruzione: 1992-1993 Destinazione d’uso: edificio scolastico latitudine: 43 32 N longitudine: 006 28 E altitudine: 350 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 26°C Temperatura min.: 24°C Temperatura media: 22°C N. giorni con t⟩ 18°C: 166 Inverno Temperatura max.: 11°C Temperatura min.: 8°C Temperatura media: 10°C Precipitazione media annuale (mm): dato non disp. N. giorni di pioggia all’anno: 106 Velocità media del vento( Km/h): 28 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord/sud DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 2 Superficie totale edificio: 14500 mq Volume totale edificio:45000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in C.A. a vista PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: in vetro e metallo PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in C.A. a vista COPERTURA: ha struttura in lastre prefabbricate in C.A. e rivestimento metallico.

112


VENTILAZIONE: naturale (passiva) naturale assistita da ventilatori integrata (ibrida), cioè alternanza di due strategie autonome a

seconda della zona dell’edificio e/o del periodo



estate giorno estate notte +inverno




com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one

tetto ventilato estate+inverno wind catcher

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

altr

i co

mpo

nent

i

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico





com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes

camino solare estate+inverno

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

altr

i co

mpo

nent

i

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

113

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore recuperatori di calore SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI→SOLUZIONI EDILIZIE raffrescamento evaporativo raffrescamento per scambio termico con il terreno SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - Education & Research buildings, in Thomas Herzog Solar energy in architecture and urban planning, with contributions by Norbert Kaiser, Michael Volz., Munich ; New York : Prestel, 1996, pag. 82-83 - L’uso del vento come materiale per il progetto di architettura, in M. Buono, Architettura del vento : design e tecnologia per il raffrescamento passivo, Napoli, CLEAN, 1998, pag. 60-63 - L. Greco, I. Savino, Variazioni sulla leggerezza. Un liceo di Norman Fos er, in Controspazio n. 5/1996, pag. 16-18

t

- Lycée polyvalent à Fréjus, in L’architecture d’aujourd’hui n. /1993 - Technical college in Fréjus, in Detail n. 6/1993, pag. 705-710 - Lycée polyvalent à Fréjus, in Le moniteur architecture n. 46/1993, pag. 13-14 - Norman Foster : Works, editor David Jenkins, vol. 1, fa parte di: Norman Foster : Works ,Munich ; London ; New York : Prestel, 2002 - Monografia su Foster BC N 3389, Taschen, pag. 109-112

114


5.5.2 La tecnologia al servizio dell’ambiente:

Sede centrale IGuzzini Illuminazione M. Cucinella, Recanati, 1998

La facciata sud caratterizzata dal brise-soleil Descrizione del progetto

Il progetto esprime chiaramente la poetica dello Studio MCA, incentrata sull’idea di edificio aperto e “sensibile” all’ambiente esterno, attraverso il massimo utilizzo della ventilazione e della luce naturali. L’edificio è un semplice parallelepipedo di quattro piani, disposto attorno ad un atrio centrale vetrato che contiene i collegamenti verticali sul lato nord; l’atrio è coperto da lucernari che favoriscono la ventilazione naturale attraverso l’effetto-camino, mantenendo allo stesso tempo una notevole trasparenza per consentire la diffusione della luce naturale. L’involucro edilizio è una “pelle attiva” che risponde alle esigenze di climatizzazione e illuminazione interna: le facciate nord e sud sono vetrate, con infissi apribili; quelle est e ovest, più sensibili ai bassi raggi del sole del mattino e del pomeriggio, sono quasi interamente opache, forate solo dai passaggi che danno sulle scale esterne d’emergenza. Un telaio metallico con lamelle frangisole in alluminio copre tutto lo stabile (ad eccezione della zona centrale con i lucernari), si estende a sud con quasi 7 metri di aggetto e svolta infine verso il basso per altri 3,7 m. La climatizzazione degli spazi interni è gestita da un apposito sistema di controllo delle variabili ambientali che, quando necessario, regola le aperture in facciata e in copertura e mette in azione i fan-coil. Le simulazioni di progetto prevedono, sulla base delle condizioni climatiche locali, un utilizzo della ventilazione naturale per il 55% delle ore di occupazione dell’edificio mentre il riscaldamento a fan-coil sarà garantito per il 35% delle ore e il raffrescamento solo per il 10%. Questo consente un risparmio

115

Prospetto est

La corte interna

energetico annuo di 77.000 kWh in energia elettrica fornita rispetto a una soluzione interamente meccanica.

Planimetria generale

Pianta piano terra

116

Pianta piano terra

Pianta piano tipo


2.2.1 Strategia di raffrescamento

Estate giorno: la radiazione solare viene intercettata dalla schermatura esterna e, all’interno, dalle tende. La ventilazione naturale si esercita attraverso l’apertura di parte delle finestre a sud, delle finestre che si affacciano sul patio e degli estrattori posti in copertura. Quando la temperatura interna supera una determinata soglia, i ventilconvettori intervengono per garantire un adeguato raffrescamento degli ambienti. Estate notte: l’aria esterna più fresca viene richiamata all’interno degli ambienti dalle aperture sui lati nord e sud, mentre l’aria interna più calda viene mandata nell’atrio e da qui espulsa attraverso gli estrattori in copertura. Inverno giorno: la radiazione solare penetra attraverso le vetrate poste a sud, riscaldando la struttura. In caso di eccesso di accumulo termico, si aprono i moduli superiori delle finestre in affaccio sul giardino interno determinando un flusso d’aria che fuoriesce dalle torri di ventilazione poste in copertura. Inverno notte: la massa dell’edificio,in cemento armato., restituisce lentamente il calore all’esterno.

Schema della ventilazione naturale dell’edificio: estate giorno

117

Schema della ventilazione naturale dell’edificio

Schema della ventilazione naturale di un ufficio: estate notte

Schema del principio di distribuzione della massa termica

Schema del controllo solare

Denominazione: Sede centrale IGuzzini Localizzazione: Recanati, Italia Progettista: M. Cucinella progetto/ costruzione: 1993- 1998 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 43 30 N longitudine: 013 30 E altitudine: 300 m s.l.m.

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO

CONTESTOCLIMATICO


CLIMA temperato fresco oceanico temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: °C Temperatura min.: °C Temperatura media: °C Inverno Temperatura max.: °C Temperatura min.: °C Temperatura media: °C Precipitazione media annuale (mm): N. giorni di pioggia all’anno: Velocità media del vento( Km/h): CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord/sud DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 4 Superficie totale edificio: 2700 mq Volume totale edificio:9200 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: a travi e pilastri in C.A. PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: le facciate nord e sud sono interamente vetrate; le facciate est e ovest sono prevalentemente opache, rivestite con pannelli di materiale inerte, e forate solo dai passaggi che danno sulle scale d’emergenza. PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in C.A. COPERTURA: in alluminio, con soprastante telaio metallico con lamelle frangisole anch’esse in alluminio

118


VENTILAZIONE: naturale (passiva) naturale assistita da ventilatori integrata (ibrida), cioè alternanza di due strategie autonome a seconda della zona dell’edificio e/o del periodo



estate+inverno


intercapedini a contatto con il terreno condotti

in facciata nelle solette

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one

tetto ventilato wind catcher camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

altr

i co

mpo

nent

i

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico





com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

altr

i co

mpo

nent

i

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

119

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore recuperatori di calore SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane inserite nel serramento tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI

raffrescamento evaporativo raffrescamento per scambio termico con il terreno

SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI

pannelli fotovoltaici collettori solari serre

Bibliografia - S. Agabio, E. Badano, Mario Cucinella, Maggioli editore, 1999, pag. 75-89 - M. Santamouris, Natural ventilation in buildings, a design handbook, James&James, London, 1998, pag. 250-251 - M. Galletta, Sede centrale de Iguzzini a Recanati, in L’industria delle costruzioni n. 340/2000, pag. 46-53 - G. Simonelli, Edifici di nuova generazione, in Modulo n. 239/1998, pag. 130-137 - M. Vitta, Space and Light, L’arca edizioni - M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici : concetti, precedenti architettonici, criteri progettuali, metodi di calcolo e casi studio, Rimini, Maggioli, 1997, pag. 507-520

120


5.5.3 Il sole in casa: Thomas Herzog Residenza privata, Regensburg, 1979

Vista del prospetto sud Descrizione

L’edificio è circondato da alti alberi e da un corso d’acqua, e giace due metri sotto il livello stradale; per questo l’edificio è orientato verso il giardino e aperto quasi unicamente sul lato sud. Elemento principale del progetto è la copertura inclinata, che continua fino a terra creando una serra nella parte anteriore, in modo che questa non sia un’aggiunta all’abitazione ma ne costituisca una parte fondamentale. Il progetto si propone dunque lo sfruttamento dell’energia solare, e crea nello stesso tempo uno spazio completamente vetrato che porta l’ambiente esterno, con il variare delle stagioni e delle condizioni atmosferiche, all’interno dell’abitazione. La pianta è suddivisa in una serie di zone parallele: sul lato nord sono collocati gli ambienti di servizio e l’accesso principale dalla strada; sul lato sud si affaccia la zona giorno, attigua alla serra che a sua volta si affaccia su giardino. In questa successione, le zone più utilizzate della casa si trovano tra la fascia a nord, ben isolata, e lo spazio-cuscinetto della serra, dove viene sfruttata l’energia solare. La zona giorno è dotata di serramenti scorrevoli che permettono di creare uno spazio unico con il giardino d’inverno. Interessante è il sistema di ventilazione che richiama aria fresca nella parte bassa della facciata inclinata e la espelle alla sommità, sfruttando il naturale flusso ascendente dell’aria.

121

La serra

Il volume dell’edificio

Pianta piano terra

Planimetria

Pianta piano primo

122

Assonometria


Estate giorno: gli alberi e il sistema di schermatura interno intercettano la radiazione solare diretta evitando un eccessivo innalzamento della temperatura della serra. Un flusso d’aria lungo la facciata inclinata, favorito inoltre dal prelievo di aria fresca da un’intercapedine a contatto con il terreno (ricavata rialzando la soletta sul lato nord), dissipa il calore della serra e lo espelle alla sommità della facciata. Estate notte: l’aria fresca notturna entra dalle aperture alla base della serra, raffredda gli ambienti,e viene espulsa alla sommità della facciata inclinata, trasportando il calore accumulato durante la giornata all’esterno dell’edificio. Inverno giorno: la serra sfrutta l’energia solare accumulando il calore nella pavimentazione di ghiaia e nella massa inerziale della soletta interna. Inverno notte: la massa termica rilascia lentamente il calore accumulato durante il giorno.

Inverno notte

Estate giorno

Estate notte

Inverno giorno

Vista del lato nord

123

Denominazione: Residenza privata Localizzazione: Regensburg, Germania Progettista: T. Herzog Anni di costruzione: 1977-1999 Destinazione d’uso: residenza latitudine: 49 13 N longitudine: 011 50 E altitudine: 440 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 22°C Temperatura min.: 12°C Temperatura media: 17°C Inverno Temperatura max.:1 6°C Temperatura min.: -3°C Temperatura media: -1°C Precipitazione media annuale (mm): dato non disponibile Velocità media del vento( Km/h): 27 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord/sud DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 2 Superficie totale edificio: 370 mq Volume totale edificio: 1200 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in legno PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: in pannelli di legno isolati e ventilati PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato COPERTURA: la parte inferiore è vetrata e la parte superiore è rivestita in metallo

124



integrata (ibrida)





com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico




lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escape

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

125




raffrescamento per scambio termico con il terreno → la casa è stata rialzata rispetto al livello del terreno realizzando un’intercapedine ventilata

SISTEMI SOLARI ATTIVI/PASSIVI pannelli fotovoltaici collettori solari serre Bibliografia - Carlo Monti (a cura di), Costruire sostenibile: 2000, Alinea, Firenze, 2000, pag. 206-212 - Thomas Herzog, Architektur + Technologie, Munchen, Prestel, 2001

126


5.5.4 Una corte per il controllo ambientale:

Edificio Daimler-Chrysler R. Rogers Partnership Potsdamerplatz, Berlino, 1999

Vista della facciata sud Descrizione L’intervento di Rogers per l’area Daimler-Chrysler si inserisce lungo una direttrice che parte da Potsdamer Platz caratterizzata dalla presenza di una fascia di verde sulla quale si affacciano i tre complessi: due blocchi uguali accostati a destinazione mista terziaria e commerciale e un blocco residenziale.

Il piano generale dell’area redatto da R. Piano auspicava l’impegno dei progettisti verso soluzioni a basso consumo di energia, privilegiando l’illuminazione e la ventilazione naturale. L’impianto planimetrico nasce dalla reinterpretazione del tradizionale blocco residenziale berlinese, dove la corte interna diventa un atrio vetrato con una precisa vocazione bioclimatica, rialzato di due piani rispetto al livello stradale. L’edificio è tagliato sull’angolo sud-est per permettere la vista del parco e per far penetrare la luce nell’atrio e negli spazi interni; la sequenza di scale e ascensori regala una connotazione dinamica all’intera composizione di volumi che si susseguono su questo affaccio. Particolare importanza è stata data alla ventilazione degli uffici, che hanno un solo affaccio, sulla corte o sull’esterno, e che quindi sono dotati di serramenti apribili nella parte inferiore e

127

Planimetria Schema planimetrico dell’intervento

Pianta piano terra

Plastico di progetto: vista del prospetto sud

superiore della facciata, in modo da creare un adeguato ricambio naturale d’aria.

Sezione nord-sud

Particolare della facciata


Estate giorno: l’aria fresca viene richiamata nella corte dal lato sud-est, confinante con una fascia di verde, e dal lato nord-ovest, attraverso un’intercapedine posta tra i piani interrati e quelli fuori terra. Nell’atrio l'aria si raffresca a contatto con la vegetazione e viene immessa negli uffici; l’aria calda viziata viene poi espulsa dall’alto sfruttando l’effetto camino, che è accentuato dalla presenza della copertura vetrata scaldata dai raggi del sole. Gli uffici sono ventilati dal flusso che entra dal serramento a contatto con la soletta e esce da quello posto a livello del soffitto. Estate notte: l’aria fresca notturna raffredda gli ambienti e le strutture, dissipando il calore accumulato durante la giornata. Inverno giorno: la corte vetrata accumula l’energia solare e permette di creare una zona-filtro a temperatura minore di quella esterna, ventilata naturalmente, dalla quale gli uffici possono prelevare aria evitando un notevole sbalzo termico con conseguente dispersione di calore interno. Inverno no ett : la corte vetrata funziona da serbatoio di calore e disperde lentamente il calore accumulato durante il giorno.

Funzionamento bioclimatico della corte vetrata: Estate giorno

128 Schema della ventilazione di un ufficio

Denominazione: Edificio per uffici Daimler-Chrysler Localizzazione: Potsdamer Platz, Berlino,

Germania Progettista: R. Rogers Partnership Anni di costruzione: 1993-1999 Destinazione d’uso: Uffici latitudine: 52 23 N longitudine: 013 31 E altitudine: 43 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 22°C Temperatura min.: 13°C Temperatura media: 18°C Inverno Temperatura max.: 1°C Temperatura min.: -3°C Temperatura media: -1°C Precipitazione media annuale (mm): dato non disponibile Velocità media del vento( Km/h): 16 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord/ovest-sud/est DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 9 Superficie totale edificio: 20.000 mq Volume totale edificio: 100.000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in acciaio PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: facciata ventilata con struttura in metallo e rivestimento in cotto PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato COPERTURA: le ali degli uffici hanno una copertura metallica; la corte centrale è sormontata da una cupola vetrata.

129



integrata (ibrida): naturale negli atri; ibrida negli uffici e aule

IMMISSIONE DELL’ARIA caratteristichefinestre




com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

ESTRAZIONE DELL’ARIA periodofinestre


trio a


lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escape

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

130

COMPONENTI IMPIANTISTICI scambiatori di calore (ruota termica)


SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo → presenza di piante nella corte vetrata



t

.

- Office buildings, in Thomas Herzog Solar energy in architecture and urban planning, with contributions by Norbert Kaiser, Michael Volz., Munich ; New York : Prestel, 1996 - Carlo Monti (a cura di), Costruire sostenibile: 2000, Alinea, Firenze, 2000, pag. 354-355 - Kenneth Powell,Team 4, Richard + Su Rogers, Piano + Rogers, R.RPartnership, London, Phaidon, 1999, pag. 240, 212-226

131


CAPITOLO VI

IL RUOLO DELLA MASSA TERMICA DELL’EDIFICIO

6.1 Il ruolo della massa termica nell’architettura tradizionale

Nelle costruzioni tradizionali realizzate nei climi caldo-secchi è comune trovare murature molto spesse, dotate quindi di capacità termica elevata. Tale caratteristica è un elemento essenziale nel controllo del microclima interno in climi caldi. Nelle aree mediorientali materiali ad alta inerzia termica facilmente reperibili sono i blocchi di roccia e i mattoni, sia cotti che crudi. I mattoni di terra cruda sono stati sfruttati sin dai tempi più antichi per realizzare solide costruzioni in muratura, talvolta persistenti per millenni come quelle del villaggio faraonico a Luxor, in Egitto. Un altro materiale da costruzione molto interessante, dal punto di vista del raffrescamento, è il marmo, che unisce ad un’alta inerzia termica una bassa emissività superficiale. Con lastre e schegge di marmo venivano realizzate pavimentazioni che davano una confortevole sensazione di fresco alla persona che vi era seduta, poiché il calore è trasmesso per conduzione, molto lenta nelle rocce. Anche nell’ambito del Mediterraneo si sono sviluppate delle tipologie abitative tradizionali che si basano sullo sfruttamento dell’inerzia termica della muratura: il trullo e il dammuso. Il trullo è diffuso in una parte dell’altipiano delle Murge, caratterizzato da un clima mediterraneo temperato (temperature medie: gennaio 6.5°C, agosto 24°C; escursione estiva media 10-12°C; bassa umidità relativa. Il comportamento ambientale del trullo è molto simile a quello del tipo ipogeo. Infatti la grande massa di pietra associata spesso alla vasca d’acqua di accumulo sottostante, attenua, in estate, la temperatura interna, rispetto a quella esterna, di circa 6-7°C; di notte il calore accumulato nella struttura è dissipato dalla ventilazione trasversale che richiama aria fresca esterna da apposite fessure nella parte bassa della porta e la espelle attraverso le forature della cupola. La struttura è in muratura a secco di grande spessore nei muri (1-2 metri), mentre la copertura a pseudo cupola è più leggera e di spessore decrescente verso la cuspide, rivestita di calce sulla superficie esterna per favorire il reirraggiamento notturno verso il cielo. Il trullo aveva originariamente un uso residenziale-agricolo e serviva come struttura stagionale a carattere precario; in seguito si è trasformato in residenza stabile, mantenendo la forma, ma cambiando le tecniche costruttive (muratura e, recentemente, calcestruzzo). Il dammuso è una tipologia caratteristica dell’isola di Pantelleria, che ha un clima confrontabile a quello delle Murge, ma molto più ventoso. La forma è compatta rettangolare, con possibilità di aggregazione di più moduli; l’orientamento è tale da offrire la minor superficie al vento dominante (nord-est). La struttura è costituita da una doppia parete in muratura di pietre a secco con l’intercapedine riempita da pietrame minuto e da una volta a

134

Il trullo

Il dammuso

Funzionamento ambientale del trullo

botte in pietra, impermeabilizzata con intonaco di calce. Le uniche aperture sono la porta e piccoli fori rotondi (detti “occhi di pietra”) che permettono una debole illuminazione diurna. Le strategie di raffrescamento sono basate: - sul ruolo di sfasamento e di smorzamento dei flussi di calore da parte della massa muraria; - sulla dissipazione di calore per reirraggiamento notturno attraverso la volta che, dal punto di vista degli scambi energetici, può essere assimilata ad un tetto piano; - sulla ventilazione notturna che dissipa il calore accumulato durante il giorno. Le misure effettuate mostrano che la temperatura in agosto si mantiene giorno e notte quasi costante intorno ai 26°C.1

6.2 Il controllo dell’inerzia termica di un edificio

L’inerzia termica di un edificio è definita come la capacità dell’edificio stesso di accumulare e rilasciare calore. Maggiore è tale inerzia termica, minore sarà la velocità a cui la temperatura interna dell’aria sale, o scende, in risposta ad un incremento, o decremento, della temperatura esterna.2

In una giornata estiva le temperatura si registrano verso mezzogiorno e nelle prime ore del pomeriggio. La massa dell’edificio immagazzina energia termica durante il giorno e la rilascia successivamente in un arco di tempo variabile a seconda delle caratteristiche della struttura (spessore, materiale,..) In un edificio ad alta inerzia termica, o “pesante”, il calore accumulato viene trasferito negli ambienti verso le ore tardo-pomeridiane o notturne; in inverno, questo evita il surriscaldamento nelle ore di maggior radiazione solare e fornisce l’ apporto termico quando è più necessario; in estate l’accumulo di energia termica nella massa diminuisce il carico di raffrescamento necessario nelle ore più calde, ma viene rilasciato successivamente, risultando comunque indesiderabile. E’ quindi possibile, in edifici con strutture “pesanti”, dissipare il calore accumulato attraverso la ventilazione nelle ore serali e notturne, sfruttando la naturale escursione termica diurna estiva. 6.3 Il raffreddamento convettivo notturno:

principi e tecnologie

Il raffreddamento convettivo nottu no consiste nel rimuovere il calore accumulato nelle strutture di un edificio attraverso la ventilazione durante la notte, al fine di incrementare gli scambi

r

1 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli Editore, pag. 144 2 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli Editore, pag. 353

135

Pianta, sezione e prospetto del dammuso

termici tra la massa dell’edificio e l’aria esterna a temperatura inferiore. “Durante il giorno, la struttura raffreddata serve da pozzo di calore, se ha una massa e una superficie sufficiente ed è adeguatamente isolata all’esterno; essa assorbe sia il calore penetrato dall’esterno dell’edificio che quello prodotto al suo interno, per radiazione e per convezione naturale, e ciò riduce la velocità dell’aumento di temperatura interna”.3

Il raffreddamento convettivo notturno quindi può essere applicato a qualunque tipo di edificio che sia generalmente ben isolato e la cui massa interna permetta un efficace accumulo del “freddo” notturno; edifici di massa leggera, anche se ventilati durante la notte, non sono in grado di trattenere una riserva di freddo sufficiente per ridurre significativamente l’innalzamento della temperatura durante il giorno. Nel grafico a lato si rappresenta l’andamento della temperatura dell’aria all’interno di un ambiente, in due ipotesi di inerzia termica, senza e con ventilazione notturna delle superfici esposte, e con tassi di ventilazione, rispettivamente, diurno e notturno, di 4 ac/h e 10 ac/h. Si può osservare come, nella struttura leggera, non si abbiano variazioni di temperatura notturna, mentre l’abbattimento della temperatura diurna supera i 2°C; nella struttura pesante, si ha invece un abbassamento della temperatura notturna quasi analogo a quello diurno. Condizione indispensabile è che ci sia una buona escursione termica giornaliera, aspetto che rende particolarmente efficace tale strategia di raffrescamento nelle regioni aride, dove le temperature diurne oscillano fra i 30°C e i 36°C e quelle notturne estive sono inferiori o uguali ai 20°C : in queste condizioni l’adozione di tale strategia esclude la ventilazione diurna, che causerebbe un accumulo di calore addizionale nella massa strutturale, con un conseguente innalzamento delle temperature interne notturne.4 Secondo M. Grosso, “il raffrescamento convettivo della massa muraria esposta agli ambienti interni è una tecnica efficace di raffrescamento passivo nei luoghi in cui l’escursione termica diurna estiva non è inferiore a 6°C”.5

Il climi meno estremi, e negli edifici dove il carico termico dipende molto anche dall’apporto interno, come ad esempio negli edifici a destinazione terziaria (per la presenza di computer,…) il raffreddamento convettivo notturno è efficace anche se affiancato alla ventilazione diurna; questo aspetto, associato al fatto che questi edifici non sono generalmente occupati di notte, rende tale strategia facilmente applicabile negli edifici per uffici.

Massa inerziale

Escursione termica giornaliera

3 B. Givoni, Climate considerations in building and urban design, Van Nostrand Reinhold, New York, pag. 189 (traduz. Giovanna Guizzetti!!) 4La ventilazione degli edifici, in HTE-Energie Alternative, n. 90/1994, pag. 223 5 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici, Maggioli Editore, pag. 368

136

I parametri, relativi alla progettazione dell’involucro architettonico, che influenzano l’efficacia del raffrescamento convettivo della massa sono: - l’efficacia degli elementi di accumulo: dipende dalla percentuale di calore assorbito e poi riceduto all’aria ambiente, la quale a sua volta dipende dalla superficie della massa esposta nello spazio interno e dalla conduttività termica del materiale. La scelta e il dimensionamento (spessore) degli elementi di accumulo va fatta tenendo conto del ciclo diurno di accumulo e rilascio di calore da parte della massa; “L’effettiva capacità globale di uno spazio di immagazzinare energia durante il giorno e di rilasciarla durante la notte può essere denominata “capacità termica diurna”. Questo concetto, in primo luogo definito da Balcomb per il guadagno solare diretto, può essere applicato anche al raffreddamento convettivo notturno; è definito come l’energia accumulata nel materiale e restituita allo spazio interno durante il ciclo giornaliero per unità di superficie, per 1 K dell’oscillazione giornaliera della temperatura superficiale dell’elemento di accumulo (KWh/m2 K). ”6

- il posizionamento delle aperture di entra a e di uscita dell’aria e le caratteristiche costruttive delle aperture di immissione, che influenzano la distribuzione delle velocità dell’aria all’interno dello spazio; la velocità dell’aria interna aumenta lo scambio convettivo e di conseguenza l’efficienza dell’accumulo dell’energia refrigerante nella massa.

t

6.4 Il raffreddamento convettivo notturno

nell’architettura contemporanea: potenzialità e applicazioni

Un recente studio condotto in Grecia (Santamouris e altri, 1992) ha contribuito a creare un quadro del livello di consumo di energia per il condizionamento, per gli edifici a destinazione terziaria in tutto il Paese.7 L’analisi identifica il consumo medio annuale di energia per le cinque categorie censite e la percentuale rispetto al consumo totale del paese per ogni categoria; i dati dimostrano che gli uffici e gli edifici commerciali sono le tipologie che consumano più energia per il raffrescamento.

Caratteristiche degli elementi di accumulo

Caratteristiche delle aperture

Per far fronte a questa situazione, molti architetti contemporanei hanno affrontato il tema della progettazione di edifici per uffici sfruttando tecniche di raffrescamento naturale a basso consumo energetico: vediamo in particolare alcuni progetti che hanno utilizzato la strategia del raffrescamento convettivo della massa,

6 La ventilazione degli edifici, in HTE-Energie Alternative, n. 90/1994, pag. 225 7 Natural cooling & ventilation, in Solar energy in european office buildings, CIENE, pubblicazione del programma Altener

137

che, come già affermato nel precedente paragrafo, è particolarmente adatta a questa tipologia di edifici. La struttura interna di un edificio più idonea a questo scopo è il solaio e, più precisamente, lo strato all’intradosso, purchè esposto; l’aria, riscaldata dalle attrezzature e dalle persone a livelli più vicini al pavimento, sale, infatti, per differenza di densità, trasportando il calore accumulato e trasferendolo per convezione alla superficie del soffitto. Lo strato superficiale del solaio deve avere, quindi, caratteristiche di inerzia termica tali da consentire l’accumulo del calore prodotto durante il giorno e la sua dissipazione notturna. La progettazione delle aperture diventa fondamentale per direzionare il flusso d’aria verso i solai e per regolarne la velocità, che influisce sugli scambi convettivi tra la struttura e l’aria. Nella sede centrale della IGuzzini Illuminazione progettata da M. Cucinella, la strategia di ventilazione naturale prevede, per il periodo notturno, il raffrescamento della massa dei solai in cemento armato degli uffici (non ci sono controsoffitti); a questo scopo, nell’ involucro vetrato continuo di facciata, è stata progettata un’apertura nella parte superiore a contatto con il soffitto per direzionare il flusso in corrispondenza del solaio. La stessa tecnica è adottata nel liceo Camus di Foster a Frejus nel quale, inoltre, è stata realizzata un’intercapedine tra il solaio e la copertura metallica, che garantisce la ventilazione notturna, ma anche diurna, dell’estradosso del solaio; il flusso costante è assicurato dal lucernario centrale che funge da camino di estrazione. Anche nel progetto degli uffici a Solihull, di Arup Associates, la ventilazione notturna viene regolamentata dalle bocchette che fanno entrare aria all’altezza dei solai in cemento armato e la estraggono per effetto-camino in corrispondenza dei lucernai. Nei progetti di Hopkins del Parlamento e del Jubilee Campus, i solai in cemento armato hanno la funzione di condotti per l’aria, che, scaldata o raffreddata a seconda della stagione, viene da qui immessa negli ambienti; questo sistema fa in modo che d’estate la struttura durante la notte agisca da vero e proprio radiatore freddo, continuando a svolgere la sua azione raffreddante. Di seguito sono presentati due progetti che affrontano con particolare interesse il tema della ventilazione notturna.

138

Arup Associates, Solihull Campus: bocchette di ventilazione in facciata

M. Cucinella, Sede centrale della IGuzzini Illuminazione: schema del raffrescamento convettivo notturno

6.5 Paradigmi

6.5.1 I caratteri ambientali dell’architettura: Inland Revenue Center M. Hopkins & Partners Nottingham, 1995

Vista del complesso: in primo piano una torre d’angolo Descrizione

Il progetto di Hopkins trasforma un programma con forti restrizioni di tempi e di costi in occasione di sperimentazione di tecniche costruttive innovative e di strategie bioclimatiche di grande efficacia. Punto di forza del progetto è la leggibilità e la sintesi dello schema strutturale, che diventa anche linguaggio estetico ed espressivo, reinterpretando i materiali della tradizione con tecniche innovative: lo scheletro, completamente prefabbricato per garantire tempi rapidi e costi competitivi, è composto da pilastri di mattoni pieni, sui quali si impostano le solette in cemento a vista. Il prospetto è quindi scandito dalla struttura portante “pilastro in laterizio-arco in cemento” che individua nicchie modulari in cui si inserisce la componente “leggera”, in vetro e metallo, con finestrature apribili. Come richiede l’ essenzialità del linguaggio di Hopkins, tutti gli elementi assolvono precisi scopi funzionali legati alla climatizzazione dell’edificio: pilastri e solai rappresentano la componente massiva, il vetro e l’acciaio gli elementi operativi del sistema di climatizzazione; le torrette in vetro-cemento, oltre a risolvere i nodi d’angolo e a ospitare i collegamenti verticali, agiscono da comignoli solari espellendo l’aria viziata. La strategia di raffrescamento si basa sull’utilizzo di ventilazione diurna e notturna; come in tutti i progetti di Hopkins, la struttura dell’edificio in cemento armato, in particolar modo i solai, svolge un ruolo fondamentale per il funzionamento del sistema.

140

Plastico dell’intervento

Un modulo di facciata

Sezione dell’involucro del piano tipo 1. pilastri prefabbricati in mattoni 2. triplo vetro: argon nell’ intercapedine

interna e veneziane nell’intercapedine esterna

3. capitello di cemento 4. elemento d’appoggio delle volte

prefabbricate di cemento 5. catena in acciaio 6. volta prefabbricata di cemento 7. mensola per riflettere la luce in vetro8. apparecchio illuminante a luce

indiretta 9. parapetto in acciaio 10. ventilatore per l’immissione dell’aria 11. griglia a pavimento 12. pavimento galleggiante

Sezione trasversale

141


Estate giorno: l’immissione dell’aria avviene tramite delle bocchette realizzate in corrispondenza del nodo solaio-tamponamento esterno: durante le giornate estive tali bocchette vengono completamente aperte e l’aria, regolamentata da ventilatori nell’ intercapedine dei solai, è immessa negli ambienti attraverso griglie lungo il perimetro delle stanze; la ventilazione naturale è garantita anche dalle finestre scorrevoli in facciata. L’aria viziata viene raccolta nei corridoi e mandata verso le torri dei corpi-scala dove, ulteriormente surriscaldata dai blocchi in vetro-cemento, sale e viene smaltita tramite un meccanismo che, raggiunta una certa temperatura, fa sollevare automaticamente le coperture in fibra; quando è necessario vengono azionate delle ventole per favorire l’uscita dell’aria. Il controllo della radiazione solare avviene attraverso delle mensole vetrate aggettanti poste sopra i serramenti, che sono dotati di veneziane nell’intercapedine; queste permettono inoltre di riflettere i raggi del sole a 45° sul soffitto diffondendo la luce naturale all’interno dell’ufficio. Estate notte: durante la notte, mentre i serramenti sono chiusi, l’aria fresca notturna entra dalle bocchette nei solai e viene fatta circolare in modo meccanico senza essere immessa negli ambienti (le griglie vengono chiuse): in questo modo la massa dei solai si raffredda e si prepara ad assorbire il calore diurno.Inverno giorno: l’aria esterna viene riscaldata dalle resistenze poste lungo il perimetro delle solette prima di essere mandata negli ambienti.Inverno no ett : le solette in C.A. e i pilastri in facciata rilasciano il calore che hanno accumulato durante il giorno attraverso l’apporto solare.

142

Assonometria con schema dei flussi d’aria 1. immissione dell’aria esterna

sotto pavimento, assistita individualmente da un ventilatore

2. immissione dell’aria negli ambienti tramite griglie nel pavimento

3. immissione dell’aria dalle finestre

4. l’aria viziata si dirige verso le torri attraverso i corridoi

5. la torre del corpo scale agisce da camino solare

6. la copertura della torre si alza per espellere l’aria viziata

Schizzi del funzionamento energetico dell’edificio 1. circolazione dell’aria 2. soffitto che riflette la luce 3. immissione di aria fresca: bocchette

completamente aperte; circolazione assistita da ventilatori

4. luce naturale: schermatura in lamelle vetrate

5. mensole che riflettono la luce sul soffitto all’interno

6. portefinestre trasparenti 7. ventilatori nel pavimento

galleggiante 8. solette in lastre di cemento: agisce

da massa termica che rilascia calore o frigorie

9. aria viziata che esce dalle torri per effetto camino

10. bocchette per la risalita dell’aria che migliorano l’effetto camino naturale

11. ventilatori per l’estrazione: sono attivati solo in mancanza di vento e in caso di differenza di temperatura insufficiente

12. l’aria è richiamata attraverso le porte degli uffici dalle bocchette delle torri

13. luce artificiale: si accende solo quando il livello di luce naturale è insufficiente

14. immissione di aria fresca: le griglie sul pavimento sono parzialmente chiuse

Estate notte
15. sistema di riscaldamento radiante
perimetrale, alloggiato nel pavimento, scalda l’aria

16. aria fresca riscaldata: viene distribuita nel pavimento galleggiante con immissione negli ambienti assistita da un ventilatore

17. sicurezza: le finestre vengono chiuse ma la ventilazione è attiva

18. aria fresca fredda: le bocchette perimetrali sono completamente aperte per raffreddare la massa delle solette in cemento

Inverno giorno

Estate giorno

143

Denominazione: Inland Revenue Center Localizzazione: Nottingham, Inghilterra Progettista: M. Hopkins & Partners Anni di costruzione: 1992-1995 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 52 44 N longitudine: 001 11 O altitudine: 78 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 20°C Temperatura min.: 11°C Temperatura media: 16°C Inverno Temperatura max.: 6°C Temperatura min.: 1°C Temperatura media: 3°C Precipitazione media annuale (mm): 670 N. giorni di pioggia all’anno: dato non disponibile Velocità media del vento( Km/h): 16 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: nord/sud DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 3 Superficie totale edificio: 50000 mq Volume totale edificio: 170000 mc STRUTTURA DI ELEVAZIONE: pilastri prefabbricati in mattoni faccia a vista; solette portanti prefabbricate in cemento faccia a vista; l’ultimo piano ha struttura in acciaio PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: le facciate sono caratterizzate da pilastri a tutta altezza di mattoni pieni, archi in cemento faccia a vista e parti in alluminio e vetro. PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: in cemento armato prefabbricato COPERTURA: ha struttura in metallo e rivestimento in lastre di piombo.

144



integrata (ibrida)



estate


tutto l’anno


com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


tutto l’anno

wind catcher

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico

ESTRAZIONE DELL’ARIA periodofinestre



lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes (vano scale) tutto l’anno

serra

camino solare (vano scale) tutto l’anno

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

145



SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne veneziane esterne veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo → lago artificiale



t

- Office buildings, in Thomas Herzog Solar energy in architecture and urban planning, with contributions by Norbert Kaiser, Michael Volz., Munich ; New York : Prestel, 1996 - Carlo Monti (a cura di), Costruire sostenibile: 2000, Alinea, Firenze, 2000, pag. 206-212 - M. Santamouris, Natural ventilation in buildings, a design handbook, James&James, London, 1998, pag. 245-246 - Low-energy office buildings, in Detail n. 6/1993, pag. 686-687 - Davies Colin, Hopkins2 : the work of Michael Hopkins and Partners; with essays by Charles Jencks and Patrick Hodgkinson ; interview by Paul Finch., London, Phaidon, 2001. pag. 36-45

146


6.5.2 Lo sfruttamento dell’escursione termica: Edificio per uffici Meletitiki LTD A. Tombazis & Associates, Atene, 1995

Vista del complesso Descrizione

L’edificio per uffici dello studio di architettura Meletitiki LTD, ad Atene si colloca all’interno del progetto Termie promosso dalla Comunità Europea, l’ EC2000 (Energy Comfort 2000), un progetto dimostrativo che ha visto la progettazione, la costruzione e il monitoraggio di 7 edifici per uffici, i quali provvedono al raffrescamento attraverso diverse strategie ibride a basso consumo energetico. Il clima della zona è caratterizzato da una buona escursione termica giornaliera; l’edificio è situato in un sobborgo residenziale a nord della città, meno inquinato e rumoroso rispetto al centro città, cosa che ha reso possibile l’utilizzo della ventilazione naturale come strategia di progetto.


Pianta

Prospetto

L’edificio ha forma rettangolare e si sviluppa in lunghezza lungo l’asse nord-sud; gli uffici sono disposti su vari livelli open space, cosa che permette la circolazione dell’aria all’interno dell’edificio e verso l’alto. Questo progetto prevede una strategia di raffrescamento basata principalmente sul raffrescamento convettivo notturno, sfruttando la massa pesante dell’edificio. Il raffrescamento convettivo notturno è realizzato con un sistema di ventilazione ibrido: il sistema meccanico incrementa notevolmente l’efficacia del raffrescamento convettivo notturno; dai dati ottenuti durante il monitoraggio dell’edificio risulta che con i ventilatori in funzione il numero dei ricambi d’aria orari aumenta da una media di 3 a 24.2 (Figura 1).

147

Il codall’enercomnott(Fig

Per fatteper spenseral’andimpiI daraccè staperiduradura10 dvent

1

Figura

nsumo di energia per il loro funzionamento è compensato efficacia del sistema e non incide sul consumo totale di gia; questo infatti risulta minore nel caso di utilizzo binato del sistema di condizionamento + ventilazione urna meccanica, rispetto al solo utilizzo di aria condizionata ura 2).

2
Figura
valutare l’efficienza della ventilazione notturna, sono state delle simulazioni attraverso l’uso di software (AIOLOS), due condizioni dell’edificio, con condizionamento acceso o to durante il giorno e con ventilazione notturna dalle 10 di alle 6 del mattino: il grafico riportato nella figura 3 mostra amento delle temperature interne dell’aria nel caso con anto di condizionamento spento. ti ricavati dalle simulazioni sono stati confermati da quelli olti durante il monitoraggio delle temperature a cui l’edificio to sottoposto per due settimane nell’estate del 1995, in un

odo in cui l’impianto di condizionamento era spento; nte il giorno le aperture sono state mantenute chiuse; nte la notte l’edificio è stato sottoposto a ventilazione dalle i sera alle 6 del mattino, con quattro finestre aperte e i ilatori in funzione.

148

I risultati indicano che il raffrescamento convettivo della massa riduce la temperatura massima interna di almeno 2°C; sfruttando la “pesante” massa dell’edificio, questa strategia contribuisce a ritardare l’ orario di carico di raffrescamento massimo di 4-5 ore. Strategia di raffrescamento

Estate giorno: la strategia diurna prevede la ventilazione attraverso le aperture sui lati est e ovest, apribili da parte degli occupanti; il posizionamento sul soffitto di ogni livello di ventilatori per la movimentazione dell’aria; la presenza di due ventilatori sulla copertura dell’edificio che, in caso di necessità, estraggono l’aria viziata che sale da tutti gli uffici open space per effetto camino. Quando la temperatura interna supera i 29°C, entra in funzione l’impianto di condizionamento. Estate notte: il raffrescamento convettivo notturno è realizzato con un sistema di ventilazione ibrido, che prevede l’entrata dell’aria in modo naturale dalle aperture in facciata e l’estrazione in copertura attraverso due ventilatori.Inverno giorno: l’andamento della ventilazione è analogo a quello estivo. Inverno no e:tt la massa termica dell’edificio rilascia il calore accumulato durante il giorno.

Figura 3

149

Denominazione: Edificio per uffici Meletitiki LTD Localizzazione: Atene, Grecia Progettista: A. Tombazis & Associates Anni di costruzione: 1995 Destinazione d’uso: uffici latitudine: 37,9 N longitudine: 23.9 E altitudine: 21 m s.l.m. CLIMA

CARATTERISTICHE

I

DELL’EDIFICIO



temperato fresco suboceanico temperato caldo mediterraneo di montagna DATI CLIMATICI Estate Temperatura max.: 35 °C Temperatura min.: 19 °C Temperatura media: 27°C Inverno Temperatura max.: 13°C Temperatura min.: 5°C Temperatura media: 8°C Precipitazione media annuale (mm): 370 mm N. giorni di pioggia all’anno: 28 Velocità media del vento(m/s): 2,7 CARATTERISTICHE DEL SITO pianura collina montagna fascia costiera centro urbano contesto extraurbano TIPOLOGIA monoblocco a corte a galleria a padiglioni ESPOSIZIONE: est/ovest DATI DIMENSIONALI N. piani fuori terra: 5 Superficie totale edificio: Volume totale edificio: STRUTTURA DI ELEVAZIONE: in cemento armato. PARTIZIONI VERTICALI ESTERNE: muri in doppio paramento di mattoni (spessore 20 cm), ben isolati (spessore 10 cm), con finitura esterna in mattoni faccia a vista. PARTIZIONI INTERNE ORIZZONTALI: i solai sono in cemento, con pavimento in rovere e soffitto intonacato. COPERTURA: piana in cemento.

150



integrata (ibrida): alternanza di naturale e meccanica





com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind catcher

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo

manuale automatico




lucernari apribili

com

pone

nti d

ell’i

nvol

ucro

per

la

vent

ilazi

one


wind escapes

serra

camino solare

tecn

olog

ie

edili

zie

facciata ventilata

ventilatori

cont

rollo manuale

automatico

151



SISTEMI PER IL CONTROLLO SOLARE frangisole fissi orientabili orizzontali verticali schermature integrate negli infissi veneziane interne (lucernari) veneziane esterne(finestre) veneziane nell’intercapedine tende interne tende esterne persiane/ imposte SISTEMI PER L’ILLUMINAZIONE NATURALE mensole riflettenti grandi superfici vetrate lucernari presenza di corte interna SISTEMI DI DISSIPAZIONE DEL CALORE INTEGRATI raffrescamento evaporativo



- Meletitiki Ltd- Athens, GR, in Solar energy in european office buildings, CIENE, pubblicazione del programma Altener

- Natural ven ilation and cooling strategies in new office designs, Information Dossier n.2, march 1998, ENERGY COMFORT 2000

t

152


CAPITOLO VII

PROGETTARE CON LA VENTILAZIONE NATURALE

7.1 Progettazione della ventilazione

7.1.1 Strategie di ventilazione

La ventilazione può essere considerata naturale quando il flusso d’aria è innescato dalle sole forze naturali, di tipo dinamico come il vento, o di tipo termico, come l’effetto camino, senza l’uso di mezzi meccanici. L’efficacia è determinata dalle condizioni climatiche e microclimatiche dominanti e dalle caratteristiche dell’edificio. La ventilazione meccanica è il sistema più diffuso oggi negli edifici non residenziali: consiste nell’asportare aria viziata dall’interno e fornire aria fresca dall’esterno attraverso condotti e ventilatori elettrici. Tale sistema prevede anche l’uso di filtri, silenziatori e scambiatori di calore consentendo una qualità dell’aria interna indipendente dall’ambiente esterno. Se tutto ciò si accoppia a gruppi frigoriferi, pompe di calore e ad un sistema di controllo, si ottiene un sistema di aria condizionata che fornisce anche un controllo costante della temperatura interna. La ventilazione ibrida è un sistema in cui convivono la ventilazione naturale e quella meccanica, alternandole a seconda delle esigenze. L’integrazione tra i due sistemi può essere realizzata in molti modi, che schematicamente possono essere distinti in due categorie. La prima prevede l’esistenza di due sistemi di ventilazione naturale e meccanica completamente autonomi, da alternare nelle diverse ore, giorni e stagioni, o da usare separatamente per assolvere a esigenze diverse (per esempio ricambio d’aria e raffrescamento). Per fare un esempio, la strategia potrebbe adottare il regime naturale durante le medie stagioni e quello meccanico durante l’estate e/o l’inverno; oppure ventilare in modo meccanico durante il giorno e in modo naturale per il raffrescamento notturno. La seconda categoria si può definire ventilazione naturale assistita da ventilatori, e prevede l’aiuto di mezzi meccanici solo nel caso in cui le forze naturali non riescano a garantire un’efficienza adeguata del sistema. In questo caso l’edificio è generalmente dotato di un sistema di controllo intelligente che reagisce in ogni istante alle informazioni fornite dai rilevatori dislocati lungo l’edificio, azionando prima le aperture per la ventilazione naturale e, dove questa risultasse insufficiente, attivando ventilatori di supporto. 7.1.2 Strategie di controllo

La ventilazione, naturale o ibrida, necessita di un sistema di controllo, che opera sulle aperture in modo appropriato finalizzato a garantire un efficace funzionamento.

Ventilazione naturale

Ventilazione meccanica

Ventilazione ibrida

154

Nel controllo manuale gli occupanti decidono quale soluzione adottare, in base alle proprie sensazioni; dal punto di vista psicologico inoltre gli occupanti accettano meglio le condizioni interne se possono agire in maniera diretta su di esse. E’ più adatto per abitazioni private, dove pochi individui prendono le decisioni; per i grossi edifici questo modo manuale può essere addirittura controproducente, cioè causare discomfort o spreco di energia. Nel controllo automatico il progettista imposta i parametri relativi all’edificio da monitorare e le operazioni sulle aperture vengono eseguite meccanicamente. Il sistema è composto da uno o più sensori adibiti alla misurazione dei parametri, da attua ori che servono ad azionare le aperture, e da un con rollore, il cuore del sistema, che istruisce gli attuatori rispetto alla sua programmazione e in risposta ai dati rilevati dai sensori.

tt

Il tipo di sensore è diverso a seconda del parametro al quale si vuole dare precedenza, ovvero la qualità dell’aria interna o il comfort termico, o entrambi; nel primo caso si usano in genere sensori che misurano la concentrazione di CO2 , nel secondo caso si utilizzano sensori di temperatura; per la ventilazione naturale possono essere utili anche sensori di pioggia e vento da posizionare sulle facciate esterne. Gli attuatori sono elementi motorizzati che comandano gli spostamenti delle parti meccaniche delle aperture (sia finestre che bocchette di aerazione). Le centraline di controllo disponibili oggi usano processori elettronici tipo PC e possono effettuare programmazioni temporali complesse e controllare più parametri contemporaneamente: combinando tutte le funzioni disponibili si può creare un efficace programma di controllo per la ventilazione naturale. 7.1.3 Criticità nei confronti della ventilazione naturale

Un’efficace applicazione delle strategie di ventilazione naturale comporta alcune esigenze che concernono vari aspetti, dalla fase di progettazione, a quella operativa che coinvolge gli occupanti dell’edificio. Le principali criticità che riguardano la progettazione dell’edificio sono:

- la ventilazione naturale non è in grado di garantire le condizioni di benessere di un impianto ad aria condizionata, cioè temperature costanti lungo tutto l’arco dell’anno, ma prevede una certa variazione dei parametri in relazione alle condizioni esterne, come l’andamento delle stagioni, o delle condizioni atmosferiche. Questo, se non costituisce una consapevolezza condivisa da committente e progettista, può generare problemi di insoddisfazione da parte degli occupanti, che devono essere a conoscenza dei

155

vantaggi e degli eventuali limiti del sistema di ventilazione naturale adottato.

- questo aspetto è strettamente legato a quello del controllo del sistema, che, se manuale, prevede l’intervento diretto degli occupanti nell’attivazione delle strategie di ventilazione (apertura e chiusura di finestre e bocchette, regolazione di schermi, griglie e direzionatori di flusso). Ne deriva la necessità di informare gli utenti sulle strategie più appropriate da adottare, a seconda delle condizioni climatiche e metereologiche esterne, ai fini del ragiungimento del loro benessere. Non bisogna dimenticare inoltre che dal punto di vista psicologico gli occupanti accettano meglio le condizioni interne se possono agire in maniera diretta su di esse.

- un elemento che oggi costituisce un ostacolo alla scelta di un sistema di ventilazione naturale è la difficoltà di con rollo, da par e del progettista, dei parametri termici e fisici in gioco. Questo è dovuto alla natura mutevole dei flussi d’aria e alla loro correlazione con l’andamento delle temperature esterne ed interne, dell’umidità, con la presenza di vento, tutte condizioni che variano continuamente nel tempo e che sono difficilmente prevedibili. La messa a punto di software dedicati è relativamente recente anche se in continua evoluzione (vedi paragrafo 7.5), ma la maggior parte di essi affronta solo un aspetto specifico, come ad esempio l’andamento dei flussi d’aria, o la simulazione delle temperature, rendendo difficile una valutazione globale del comportamento dell’edificio, utile per l’architetto in fase di progettazione e verifica. I modelli che affrontano tutti questi aspetti contemporaneamente sono molto complessi da utilizzare da parte del progettista e richiedono conoscenze specifiche di fluidodinamica.

t t

- nelle aree urbane l’inquinamento acustico e dell’aria possono essere considerati un ostacolo all’applicazione della ventilazione naturale. In questi casi si può ricorrere a un sistema di ventilazione ibrido, che preveda l’utilizzo di ventilazione naturale solo quando le condizioni esterne lo permettano, per esempio di notte, quando la concentrazione di inquinanti e di rumore è minore, e un sistema meccanico di immissione dell’aria (per esempio tramite condotti dotati di filtri) da attivare di giorno. Il problema può essere migliorato se l’edificio ha una corte interna, meglio se piantumata; in questo caso le due strategie possono essere alternate a seconda delle zone, prevedendo la ventilazione naturale per i locali con affaccio sulla corte, più riparata da rumori e inquinanti, e quella meccanica per gli ambienti esposti alle vie di traffico. A seconda delle situazioni la progettazione architettonica dell’edificio, affiancata all’adozione di una strategia di ventilazione appositamente pensata in relazione al contesto, può risolvere questi problemi.

156

- il problema del rumo e si presenta anche in relazione all’uso di condotti di ventilazione, che si comportano da conduttori sonori con il rischio di trasmettere i disturbi acustici all’interno degli ambienti. Questo inconveniente si presenta tuttavia anche nei tradizionali impianti che prevedono la circolazione forzata dell’aria, e può essere risolto con accorgimenti già disponibili sul mercato appartenenti a questo settore.

r

7.2 Progettazione del sito

Nella scelta e nella progettazione del sito sul quale si debba realizzare un edificio ventilato naturalmente si devono cercare di raggiungere i seguenti obbiettivi: - il miglior sfruttamento dei flussi d’aria, in relazione alle caratteristiche topografiche e microclimatiche del luogo e alla presenza di edifici circostanti, in modo da aumentare il potenziale di ventilazione all’interno dell’edificio; - il miglior compromesso tra condizioni di comfort estivo e invernale; - evitare condizioni di discomfort dovute alle condizioni esterne o causate da eccessive velocità del vento. I principali fattori da considerare sono l’esposizione dell’edificio al vento e la progettazione dell’ambiente circostante, in particolare la disposizione della vegetazione. La localizzazione di un edificio isolato in contesti non urbani dovrebbe essere tale da consentirne l’esposizione ai venti locali a regime di brezza di origine termica, i più adatti al raffrescamento degli edifici in relazione alla loro ciclicità giornaliera. In zone collinari o montane la migliore localizzazione è a mezza costa, lungo le curve di livello, in modo da sfruttare le brezze temperate di pendio. I siti di fondovalle beneficiano anch’essi, anche se in misura minore, delle brezze di versante; la posizione più esposta ai venti è quella in cresta, che implica però un’eccessiva esposizione ai venti freddi invernali. In siti costieri, marini o lacustri, l’edificio dovrebbe essere posizionato con l’asse longitudinale parallelo al litorale, in modo da sfruttare le brezze di mare, o di lago, e di terra. Se l‘edificio deve inserirsi in un ambito già edificato la localizzazione ottimale è quella che espone l’edificio stesso ai venti dominanti estivi proteggendolo da quelli invernali. La distribuzione planimetrica di un insieme di edifici deve essere tale, dal punto di vista del raffrescamento ventilativo, da evitare i regimi di flusso a scia interferente o pseudo-laminare, che inducono una riduzione significativa della velocità del vento a valle della fila di edifici che incontra per prima il vento. Ciò implica una distanza tra gli edifici considerevole che, soprattutto in aree urbane, può essere eccessivamente penalizzante

Esposizione al vento

Brezze di pendio

157

rispetto al volume costruibile. In alternativa, si può ottenere un risultato soddisfacente per la ventilazione, a parità di densità volumetrica, collocando gli edifici a scacchiera o in diagonale rispetto alla direzione del vento. Un’altra soluzione possibile per garantire un’ efficace raffrescamento ventilativo è lo sviluppo in verticale della volumetria, con altezze diversificate tra gli edifici. In ogni caso sono da evitare situazioni che potrebbero causare condizioni di discomfort ai pedoni, quali l’eccessiva vicinanza degli edifici a livello di testata, che provoca una brusca accelerazione del flusso del vento per effetto Venturi. La vegetazione può proteggere dal vento, deviare e accelerare i flussi d’aria, nonché raffrescarli. La funzione frangi-vento viene adeguatamente svolta se la barriera vegetale ha una porosità superiore al 35%, e deve essere distante dall’edificio da 1,5 a 5 volte l’altezza della barriera stessa. In caso di alberi con alto fusto e ampia chioma, si ha un effetto di riduzione della velocità dell’aria in corrispondenza della chioma, affiancato ad una accelerazione dell’aria vicino al terreno: attraverso un’opportuna distanza dall’edificio si può sfruttare quindi l’azione deviante a seconda delle esigenze specifiche di progetto. La disposizione di barriere vegetali, come una siepe, vicino a un edificio, può creare inoltre delle zone di depressione e sovrapressione che favoriscono la creazione di flussi d’aria, con una funzione simile a quella degli schermi verticali, anche se meno efficace. La presenza di verde nell’intorno dell’edificio fornisce ombra nel periodo estivo, svolgendo un’azione di raffrescamento dell’aria per effetto dell’evaporazione dell’umidità prodotta dalle piante; inoltre l’effetto ombreggiante della vegetazione innesca flussi d’aria attraverso l’edificio generati dal differenziale di temperatura tra la zona in ombra più fresca e le altre esposte al sole.

Disposizione della vegetazione

Gli effetti positivi della vegetazione comprendono infine la capacità di assorbire i rumori, diminuire le polveri, e ossigenare l’aria.

158

7.3 Progettazione dell’edificio

7.3.1 Forma dell’edificio e orientamento rispetto al vento

La forma dell’edificio e l’orientamento rispetto al vento rappresentano le scelte determinanti nella fase di progettazione preliminare di un edificio ventilato naturalmente. L’efficacia della ventilazione in relazione ad una data distribuzione planimetrica dipende infatti principalmente dall’angolo di incidenza del vento rispetto alla parete in cui è posizionata l’apertura di ingresso dell’aria. La dimensione della scia di flusso, che è direttamente proporzionale al flusso d’aria che raffresca un edificio, dipende dalle dimensioni relative dell’edificio, più che dalle dimensioni effettive. Si considerano alcune forme volumetriche modulari caratterizzate da altezza e profondità invariate e si analizzano gli effetti prodotti sui flussi d’aria dalla variazione della forma planimetrica dell’edificio in relazione all’orientamento del vento: - il solido cubico o, comunque, a pianta quadrata, produce una scia di profondità pari a circa due volte il lato del cubo, e pari a due volte e tre quarti, se il vento soffia lungo la diagonale. - nei parallelepipedi, a pianta rettangolare allungata, l’ingombro della scia è maggiore che nel cubo, e la sua profondità aumenta con la lunghezza, a parità di larghezza, del solido stesso. L’altezza della scia rimane invece pressoché invariata. L’ orientamento ottimale, per il raffrescamento ventilativo dell’edificio, rispetto alla direzione del vento si ottiene quando l’asse longitudinale del solido parallelepipedo è inclinato 30° rispetto al flusso. - i solidi a forma di L producono modelli di flusso simili a quelli dei parallelepipedi e le dimensioni della scia dipendono da quale lato della L incontri perpendicolarmente il flusso: il più alto potenziale di raffrescamento si ha quando il vento soffia con direzione a 45° rispetto alle facciate del solido. - nei solidi a forma di U l’area di ingombro rimane relativamente invariata al variare dell’orientamento. Negli edifici con tale forma il potenziale di raffrescamento ventilativo dipende dunque, più che dall’orientamento specifico, dal modo in cui l’edificio è esposto al vento stesso. Quando è esposto il lato chiuso della U, l’edificio si comporta come se avesse pianta quadrata; se il lato esposto al vento è quello aperto, l’aria penetra all’interno dell’incavo e, deviando lungo i lati, accelera. L’orientamento dell’edificio, invece, determina la condizione di protezione o esposizione dell’area compresa tra le ali della U e quindi dei locali affacciantisi su di essa. Anche nel caso dell’edificio a U, dunque, l’orientamento specifico preferibile dal punto di vista del raffrescamento è quello a 45°.

L’aumento della larghezza, o profondità di manica di un solido, comporta una riduzione della profondità della scia, per effetto dell’aumentato attrito del flusso d’aria sulla superficie del tetto.

159

Scie di flusso in edifici parallelepipedi diversamente orientati rispetto al vento.
Scie di flusso in edifici parallelepipedi alvariare della profondità dell’edificio (vento perpendicolare).
Scie di flusso in un edificio di forma cubica, con vento perpendicolare allefacciate e lungo la diagonale.

L’ aumento dell’altezza del solido, produce, invece, un incremento della profondità della scia, che mantiene pressoché immutata la sua sagoma. Sulla parte alta della facciata sopravento si ha un aumento della velocità dell’aria che si accompagna ad una aumentata depressione sulle pareti laterali. In un edificio, ciò determina un considerevole aumento di portata d’aria attraverso i locali posti ai piani superiori, soprattutto quelli d’angolo.

7.3.2 Forma del tetto

La forma del tetto influenza la distribuzione della pressione sulla copertura e quindi il potenziale di raffrescamento degli ambienti nel sottotetto dell’edificio. Un tetto piano o ad una falda con inclinazione minore di 15° sono completamente in depressione, qualunque sia la direzione del vento; in un tetto a due falde con inclinazione minore di 21°, nelle stesse condizioni, entrambe le falde sono sottoposte ad una pressione negativa. Tutte le aperture collocate su queste falde avranno quindi la funzione di regolare i flussi in uscita dall’edificio, anche se il tipo di apertura a ribalta, che solitamente caratterizza tali lucernari, consente l’immissione del flusso laminare che sale lungo la falda. Se la falda ha un’inclinazione superiore a 22° è parzialmente in sovrapressione, fino a raggiungere la completa sovrapressione con pendenza di circa 30-35°. In questo caso è possibile realizzare una ventilazione passante a livello del sottotetto tra due o più lucernari collocati sulla falda sopravento e sottovento del tetto. Nel caso di abbaini, la regolazione dei flussi d’aria dipende principalmente dall’orientamento dell’apertura rispetto alla direzione del vento; nel caso di vento non parallelo alle linee di gronda, la presenza della falda inclinata ha un effetto di deviazione del flusso d’aria laminare lungo la pendenza e, quindi, verso l’apertura del lucernario.

Flussi d’aria attraverso aperture esterne poste su un tetto a falde

7.3.3 Articolazione dell’involucro edilizio

L’articolazione dell’involucro edilizio ha un significativo potere nel favorire la ventilazione naturale, soprattutto nei casi in cui le caratteristiche del sito non consentono di scegliere l’esposizione al vento e al sole ottimale e per determinate configurazioni degli ambienti con affacci penalizzanti. Sporgenze o aggetti orizzontali, come verande o balconi, possono significativamente incrementare la velocità dell’aria all’interno degli spazi perché generano regioni di alta e bassa pressione. Una corretta progettazione di schermi verticali, o frangivento, può generare delle differenze di pressione che favoriscono

160

l’instaurarsi di flussi d’aria, soprattutto nel caso in cui la ventilazione trasversale sia impossibile, e si ricorra alla realizzazione di aperture sulla stessa parete o su pareti adiacenti.

7.3.4 Distribuzione degli spazi interni

Un’opportuna distribuzione degli spazi interni, in relazione alla direzione del vento e all’esposizione e alla forma dell’edificio, può aiutare la ventilazione incrociata. Negli edifici residenziali cucine e servizi igienici andrebbero collocati sul lato sottovento, per evitare che l’aria viziata raggiunga le altre stanze prima di essere espulsa. Le partizioni perpendicolari al flusso d’aria prevalente dovrebbero essere progettate in modo da non ostacolare completamente il flusso, ad esempio limitandole ad una certa altezza lasciando delle aperture nella parte alta a contatto con il soffitto. La suddivisione planimetrica riduce moderatamente la velocità media totale (dal 44,5% al 30,5%) e le condizioni migliori si ottengono quando il tramezzo è più vicino all’apertura di uscita del flusso.1 Per quanto riguarda invece la distribuzione verticale degli spazi, essa è influenzata dai movimenti d’aria per effetto camino. 7.4 Progettazione dei componenti dell’involucro

edilizio per la ventilazione

7.4.1 Aperture esterne trasparenti (finestre)

Nella maggior parte degli edifici le finestre apribili costituiscono la principale componente della ventilazione naturale. Permettono il passaggio di grandi flussi d'aria per il ricircolo in inverno e per il raffrescamento in estate, ed a seconda del tipo di sistema di controllo scelto possono essere operabili manualmente o automaticamente. La progettazione deve tener conto del fatto che le grandi aperture progettate per il raffrescamento estivo possono causare in inverno un elevato livello di discomfort e sprechi di energia. Tali sprechi aumentano se il sistema di riscaldamento risulta sovradimensionato o difficilmente regolabile secondo le esigenze, in quanto l'apertura delle finestre viene in questo caso usata per moderare l'effetto del riscaldamento. In questa categoria possiamo includere anche i lucernai o finestre poste in alto, ad esempio alla sommità della copertura degli atri interni: generalmente tali aperture risultano molto più efficaci nel controllo della ventilazione di quanto lo siano larghe

1 La ventilazione degli edifici, in HTE-Energie Alternative, n. 90/1994, pag. 222

161

finestre poste sui lati e sono inoltre le uniche che permettono di sfruttare al meglio le potenzialità dell’effetto camino. Il tasso di flusso d’aria che entra ed esce da un ambiente confinato e, quindi, il potenziale di raffrescamento, dipendono principalmente dai seguenti fattori connessi con le aperture:

- posizione - area di apertura - tipo e geometria

Per ottenere in un ambiente un flusso d’aria significativo per il raffrescamento è necessario che vi siano almeno due aperture esterne permeabili e che non siano collocate sulla stessa parete, in quanto non si produrrebbe, in tal caso, il differenziale di pressione necessario a innescare il movimento dell’aria. La variazione della collocazione delle aperture in senso orizzontale, lungo il perimetro dell’edificio, influenza la ventilazione passante generata dal vento o dalla differenza di temperatura tra le pareti e dipende dalla direzione del vento e dall’esposizione dell’edificio; la variazione in senso verticale (in sezione) influenza sia la ventilazione passante, che il movimento d’aria per effetto camino. Si possono delineare alcune regole fondamentali per il posizionamento orizzontale delle aperture: - disporre le aperture sia sul lato sopravento che su quelli sottovento; aperture disposte unicamente sui lati sottovento determinerebbero una condizione di ventilazione insufficiente; - nel caso di vento perpendicolare alle facciate in cui sono collocate le aperture, evitare di disporle su pareti opposte direttamente confrontatisi, ma sfalsarle; - se non si dispone di due pareti opposte bensì di pareti perimetrali contigue la distribuzione delle aperture su queste ultime produce una ventilazione efficace, anche in caso di vento perpendicolare alla apertura sopravento, purchè le aperture stesse siano sufficientemente distanziate; - un vento con direzione obliqua rispetto alle facciate dell’edificio (con angolo di incidenza non superiore a 45°) genera una ventilazione passante più efficace di quella prodotta dal vento perpendicolare. 2

- in assenza di vento il flusso d’aria è innescato dalla differenza di temperatura tra le pareti, quindi è necessario collocare le aperture in modo che, ad esempio, si trovino sia sulla facciata in ombra, più fresca, che sul lato esposto al sole, più caldo. Il posizionamento verticale delle aperture influisce sulla ventilazione passante, modificandone sia la direzione di flusso, quando esso è generato prevalentemente dal vento, che la portata, quando il flusso è innescato dall’effetto camino.

Posizione delle aperture

Nel primo caso la collocazione reciproca delle aperture di ingresso e uscita dell’aria è determinante in relazione allo scopo


162

Posizionamento orizzontale delle aperture in funzione della ventilazione passante.

Posizionamento verticale delle aperture in funzione della ventilazione passante.

specifico cui è finalizzato il movimento d’aria: se l’obbiettivo è il raffrescamento corporeo le aperture devono essere collocate ad altezza d’uomo; se lo scopo è il raffreddamento della massa muraria, l‘ingresso dell’aria (non è necessario che lo sia anche l’uscita) deve essere previsto vicino alla struttura da raffrescare, ovvero vicino al soffitto o al pavimento. Nella maggior parte dei casi, tranne nei momenti di calma più assoluta o di parità di temperatura tra interno ed esterno, si ha sempre l’effetto combinato dei due fattori, che non devono entrare in conflitto tra loro, ovvero che l’aria uscente per effetto del gradiente di densità si contrapponga ad un flusso in entrata prodotto dal vento; ciò si evita collocando la chiusura più alta, di uscita del flusso, in posizione sottovento rispetto alla direzione prevalente. Il flusso d’aria che attraversa un’apertura è direttamente proporzionale all’area dell’apertura stessa, mentre il rapporto tra l’area dell’apertura di ingresso e quella di uscita influisce sul differenziale di pressione interna e quindi sulla velocità del flusso stesso. In particolare, tale rapporto influenza, più che la velocità media dell’aria all’interno di un ambiente, la velocità massima di flusso, in modo inversamente proporzionale. Con aperture disuguali di immissione più piccole rispetto a quelle di emissione, il flusso d’aria è concentrato e limitato ad una piccola parte della stanza; la velocità massima interna aumenta soprattutto vicino ad esse al di sopra della traiettoria fra entrata e uscita, mentre la velocità media subisce una minima variazione. (Questa situazione può essere desiderabile quando lo “spazio occupato” si trova di fronte alle aperture di entrata, ad esempio in stanze da letto con i letti vicino alla finestra.) D’altra parte, aperture di immissione più grandi rispetto a quelle di emissione producono una velocità minore vicino all’entrata, ma una distribuzione più equa della velocità dell’aria all’interno dello spazio3. Il rapporto deve essere dunque determinato in base alle condizioni specifiche di utilizzo della ventilazione naturale: quando sono prevalenti esigenze di raffrescamento, sia corporeo (considerando i limiti di sopportabilità della velocità dell’aria) che convettivo strutturale, è opportuno che l’area di ingresso sia minore dell’area di uscita dell’aria; quando sono prevalenti esigenze di ricambio dell’aria, l’area di ingresso dell’aria può essere superiore a quella di uscita, prevedendo la possibilità di controllo delle aperture di uscita per la sovrapressione del locale.

Area di apertura

La scelta di mantenere un’area di ingresso uguale a quella di uscita garantisce il minore scostamento tra velocità dell’aria interna ed esterna e anche la minore differenza tra velocità

3 La ventilazione degli edifici, in HTE-Energie Alternative, n. 90/1994, pag. 221

163

Effetto, sulla velocità dell’aria interna, del rapporto tra le aree di apertura per l’ingresso e l’uscita dell’aria in un locale con ventilazione passante.

massima e media interne. Concludendo si può affermare che il criterio progettuale più coerente è quello di prevedere tipi di apertura con il massimo grado di variabilità (controllabile) dell’area di apertura.4

La scelta del tipo di apertura è di fondamentale importanza per la ventilazione naturale, in quanto determina la possibilità di controllo dell’area di apertura e della direzione del flusso. In linea generale, forma e caratteristiche delle aperture di entrata possono influire sulla direzione del flusso all’interno degli ambienti, mentre le aperture di uscita non hanno un effetto significativo sul modello di flusso. Le finestre a rotazione su asse verticale, comprendenti la finestra a battente e il bilico verticale, hanno la caratteristica di offrire la massima area di apertura (pari al 90% di quella della chiusura nella finestra a battente e al 70% nel bilico) e di regolare la direzione del flusso in senso orizzontale. D’altra parte però l’anta a rotazione è il sistema meno controllabile: se non è dotato di dispositivi di fissaggio tende a spalancarsi e in caso di cambiamento di vento tende a chiudersi. Nel bilico verticale tutto il volume del vano è interessato dalla circolazione di aria, in quanto innesca fenomeni di depressione localizzati in presenza di vento tangenziale alla facciata. Le finestre a rotazione su asse orizzontale regolano la direzione del flusso in senso verticale: il sistema a vasistas offre un’area di apertura ridotta (1/3 dell’area), non consente una buona movimentazione dell’aria nella zona bassa degli ambienti e svolge una funzione aspirante, quindi è adatta per ambienti di servizio; il bilico orizzontale innesca una buona circolazione dell’aria in tutto il volume del vano. Le finestre scorrevoli orizzontali hanno un massimo del 50% di area apribile ma garantiscono una ventilazione distribuita in tutto l’ambiente: quelle scorrevoli verticali, dette anche a saliscendi, costituiscono il sistema migliore, in quanto consentono un’apertura in basso e una in alto, innescando un tiraggio naturale e sono sensibili anche alla dinamica di ventilazione creata dal vento.

Tipologia e geometria delle aperture

Influenza sulla direzione del flusso delle diverse tipologie di aperture

7.4.2 Trickle ventilators Sono piccole aperture ventilate poste generalmente sopra le finestre. Sono pensate per garantire una ventilazione continua ma incontrollata dell’ambiente, soprattutto nel periodo invernale quando il flusso richiesto è minimo. Tipicamente hanno un area effettiva compresa tra i 4000 e gli 8000 mmq e dovrebbero essere aperture fisse, anche se alcuni modelli sono operabili.


164

Un trickle ventilator deve essere posizionato in modo corretto per evitare zone concentrate di aria troppo fredda in inverno o troppo calda in estate. Per prevenire il discomfort è consigliabile posizionare i trikle nella parte alta della finestra oppure dietro i termosifoni a muro per consentire un preriscaldamento dell’aria prima che raggiunga la zona occupata. I modelli comuni sono dotati di griglie contro gli insetti e sono predisposti per l'installazione sia su serramento sia a muro; in alcuni casi è possibile trovarli anche inglobati nelle aperture interne come le porte.

7.4.3 Aperture automatiche

Sono aperture che variano automaticamente (senza l'ausilio di attuatori elettrici esterni) le dimensioni dell’area di passaggio del flusso reagendo a parametri ambientali specifici. Sono componenti relativamente nuovi sul mercato e quindi non si conoscono ancora bene le loro prestazioni sia qualitative che di durata nel tempo. Sembrano comunque costituire una valida alternativa per gli impieghi nel campo residenziale dove l'installazione di un sistema di controllo complesso risulta economicamente non realizzabile. Il loro principio di funzionamento si basa sulle proprietà fisiche di speciali materiali che reagiscono alla variazione di determinati parametri ambientali con un aumento o una diminuzione del loro volume. Tale variazione viene sfruttata per gestire l'apertura e la chiusura del condotto di aerazione, purtroppo per le loro caratteristiche l'area di passaggio del flusso non può essere molto grande e le dimensioni delle aperture automatiche si avvicinano a quelle dei trikle ventilators. Sul mercato sono attualmente disponibili: - aperture sensibili alla temperatura; - aperture sensibili all’umidità: sono strumenti adatti alla gestione della qualità dell’aria interna, soprattutto in singoli ambienti dove c’è un'elevata produzione di vapore (come nei bagni, nel caso di edilizia residenziale); - aperture sensibili alla pressione: sono le più recenti, grazie ad un sistema di molle consentono di mantenere il flusso relativamente costante al variare della differenza di pressione. Purtroppo i modelli attuali sono ancora troppo poco sensibili per essere adatti alle basse differenze di pressione della ventilazione naturale. Al contrario i modelli più sofisticati hanno un costo svantaggioso. Questo tipo di aperture sono auto-regolanti solo per una direzione del flusso e impediscono il passaggio dell'aria nella direzione inversa. Di conseguenza devono essere montati verso l'interno o verso l'esterno a seconda se si vogliano usare per l’immissione o per l’estrazione dell’aria.

7.4.4 Aeratori o bocchette di ventilazione

Possiamo definire un'aeratore come un'apertura per la ventilazione dotata di un regolatore e direzionatore di flusso che

165

collega due ambienti differenti. Generalmente vengono usati per regolare il passaggio dell’aria tra l'interno e le condutture di ventilazione o tra queste e l'esterno. Possono essere utilizzati anche al posto dei serramenti orizzontali sulle coperture o negli atri per la gestione dell'effetto camino, in quanto sono più adatti in caso di pioggia.

E' importante che l'apertura sia regolabile, automaticamente o manualmente, per evitare che la velocità dell'aria superi i limiti consentiti e, soprattutto, per poter essere completamente chiusa durante la stagione invernale o nei casi in cui il flusso di ventilazione si inverta. Altro fattore importante nella scelta di un aeratore consiste nel valutare il suo coefficiente di perdita di carico per attrito, ovvero quanto riduce la velocità dell'aria. Ciò risulta fondamentale nella ventilazione naturale in quanto tali perdite non possono essere compensate dall'aumento di potenza del ventilatore come avviene nei sistemi ibridi o meccanici. In commercio sono disponibili molti modelli adatti alle diverse esigenze di progetto: isolati acusticamente e termicamente, in alluminio o PVC, con ventole ausiliarie.

7.4.5 Altri componenti

La ventilazione naturale non viene garantita solo da aperture come finestre o lucernai: l’aria può passare attraverso dei condotti, come avviene nella ventilazione meccanica. Le caratteristiche del condotto, come il tipo di materiale e il percorso, influiscono sulla portata dell'aria. Nel caso di ventilazione naturale le velocità dell'aria sono basse e, di conseguenza, lo è anche la resistenza, che ha poca influenza sul flusso. Sarebbe comunque bene scegliere materiali lisci come il PVC o l'alluminio per contenere le perdite di carico. I tubi sono gli stessi usati per altri tipi di ventilazione a sezione circolare, rettangolare o variabile. E' necessario inoltre che le curve del percorso siano raccordate e non a spigolo vivo e che il condotto sia ben isolato termicamente per evitare aumenti di temperatura. In alcune situazioni, per esempio di notte o in caso di assenza di vento, la ventilazione naturale non risulta sufficiente a garantire un flusso d'aria adeguato: in questi casi può essere integrata con l'utilizzo di ventilatori a potenza variabile che compensino la forza motrice naturale (vento o effetto camino). (In questo caso la ventilazione si definisce ibrida). Le tipologie di ventilatori sono molteplici: in base al tipo di pale che usano e alla direzione del flusso in uscita, si distinguono in assiali e centrifughi. Se devono servire un singolo ambiente, sono di dimensioni ridotte e sono provvisti di proprie griglie di protezione e supporti per l’ancoraggio; possono essere posizionati nella muratura, nei serramenti o nelle bocchette di aerazione.

166

Condotti

Ventilatori

I ventilatori che si inseriscono nelle condutture necessitano di dimensioni e potenza maggiori poiché devono servire più ambienti contemporaneamente e vincere le forze di attrito distribuite lungo l'intero circuito. La procedura per il dimensionamento è analoga a quella che si usa nel condizionamento meccanico. In ambiente urbano la ventilazione naturale deve affrontare il problema della qualità dell’aria esterna, che spesso contiene polveri o inquinanti. I normali filtri a tampone utilizzati nei sistemi meccanici sono molto efficienti ma creano elevate cadute di pressione e ostacolerebbero la ventilazione naturale. I depuratori elettrostatici sono invece costituiti da due grandi piastre caricate con una elevata differenza di potenziale elettrico (in modo simile ai condensatori); tale carica attira le particelle di polvere verso le piastre senza intralciare in alcun modo il flusso d'aria. A fronte di un'ottima efficienza vi sono i costi elevati d'acquisto, di installazione e soprattutto di manutenzione. Il recuperatore è costituito da una serie di lamelle sottili tra le quali passano, senza miscelarsi, il flusso d'aria in entrata e quello in uscita, i quali si scambiano calore per conduzione attraverso le lamelle stesse. Con questo sistema è possibile, nella stagione invernale, pre-riscaldare l'aria in ingresso sfruttando il calore di quella in uscita. Allo stesso modo, in estate, secondo un processo inverso, l’aria può venire pre-raffrescata. Una tale tecnologia costituisce una perdita di carico notevole e si deve spesso ricorrere a delle ventole. Per questo i recuperatori sono in genere utilizzati nei sistemi di ventilazione meccanica o ibrida.

7.5 Supporti per la progettazione

7.5.1 Metodi per il calcolo dei flussi d’aria

La conoscenza dei modelli di flussi d’aria in un edificio è particolarmente importante sia per valutare la qualità dell’aria negli ambienti interni sia per calcolare l’energia necessaria per ventilare, riscaldare, o raffrescare gli ambienti. Mentre la ricerca nel settore delle dispersioni termiche da infiltrazioni d’aria data dagli anni venti, lo sviluppo di programmi di simulazione dei flussi d’aria è relativamente recente.5 In relazione alla complessità del modello possiamo distinguere tre differenti approcci per la descrizione ed il calcolo dei parametri relativi alla ventilazione naturale:

- metodi empirici - modelli a rete

5 M. Grosso, G. Peretti, Flussi d’aria e ventilazione naturale negli edifici, Politecnico di Torino, pag. 1

167

Depuratori elettrostatici

Recuperatori di calore

- modelli CFD Bisogna osservare che i metodi usati sino ad oggi sono quasi tutti deterministici, ovvero non considerano le possibili fluttuazioni dei parametro in ingresso (velocità e direzione del vento, temperatura esterna). Per questo motivo a volte i risultati ottenibili non hanno una precisione sufficiente se comparati con quelli realmente misurati. Per ovviare a questo sistema si sta lavorando a modelli stocastici, cioè che considerino i parametri climatici variabili in funzione delle probabilità che questi si presentino: tali sistemi promettono di essere una valida alternativa ai metodi ora in uso per la valutazione della ventilazione naturale.6

I metodi empirici sono metodi semplificati che si basano su relazioni generali, dedotte da teorie fisiche, o da dati sperimentali ricavati dall’analisi di modelli reali o modelli in scala nel tunnel del vento. Si riferiscono a un edificio mono-zona dove non vengono prese in considerazione le partizioni interne; sono usati per calcolare il tasso di ventilazione e la velocità dell’aria all’interno di un ambiente, e per dimensionare le aperture. Questi metodi, per la loro semplicità, richiedono poche risorse di calcolo e sono molto veloci da usare, ma forniscono una valutazione di massima dei flussi d’aria adatta alla fase preliminare del progetto e devono essere utilizzati nei limiti della loro applicabilità. Generalmente non sono metodi commerciali e sono stati sviluppati da grandi istituti di ricerca o di normativa (es. ASHRAE).7

I modelli multi-zona considerano la struttura da analizzare come composta da più zone, ciascuna omogenea al suo interno e divise tra do loro da partizioni non permeabili all’aria. Un modello a rete è in grado sia di simulare le infiltrazioni d’aria attraverso l’involucro in un edificio complesso, sia di calcolare le interazioni tra le diverse zone in termini di trasporto di masse gassose. In tale modello il flusso di masse d’aria in un edificio viene descritto da un sistema a rete in cui i nodi rappresentano i percorsi di flusso tra i vani stessi. Tali connessioni includono le resistenze al flusso causate sia dall’apertura e chiusura di porte e finestre sia dalla permeabilità all’aria delle partizioni verticali e orizzontali. 8

I nodi perimetrali della rete rappresentano le condizioni di pressione sulla superficie esterna dell’involucro edilizio, cioè la

Metodi empirici

6 E. Vian, Tesi di laurea in architettura, Metodi di valutazione e tecnologie per la ventilazione naturale degli edifici, rel. M. Grosso, P. Oliaro, Politecnico di Torino, 2002, pag. 164 7 E. Vian, Tesi di laurea in architettura, Metodi di valutazione e tecnologie per la ventilazione naturale degli edifici, rel. M. Grosso, P. Oliaro, Politecnico di Torino, 2002, pag.165 8 M. Grosso, G. Peretti, Flussi d’aria e ventilazione naturale negli edifici, Politecnico di Torino, pag.3

168

Modelli a rete (o multi-zona)

distribuzione delle pressioni dovute al carico del vento, a partire dai dati climatici relativi al contesto di progetto (è necessario conoscere velocità e direzione del vento, coefficienti di pressione, temperatura dell’aria). Una volta inseriti i dati relativi alla geometria e all’orientamento delle zone, quelli relativi alle aperture e quelli relativi ad eventuali ventilatori e condotti, il modello calcola i flussi in ogni nodo della rete fornendo un risultato numerico o grafico di grande utilità per il progettista. Il flusso che attraversa ogni singola apertura viene espresso in funzione della differenza di pressione e della legge di bilanciamento della massa. La differenza di pressione può derivare dalla forza del vento, dalla differenza di temperatura, da ventilatori ( l’azione di un ventilatore può essere descritta come una sorgente di differenze di pressione in relazione alla curva caratteristica di funzionamento del ventilatore stesso) o dall’interazione di più fattori.9 I modelli a rete sono tutti computerizzati e la maggior parte è disponibile in versione commerciale. Nei modelli CFD l’edificio è rappresentato da una griglia di nodi bi- o tri- dimensionali (non coincidenti con elementi edilizi, ma dettagliata a piacere) e vengono calcolati in ogni nodo i flussi, le velocità e le direzioni di flusso, tramite le equazioni di Navier-Stokes (conservazione di massa, del momento d’inerzia, di energia).10

I CFD sono integrati con modelli di trasferimento del calore che calcolano l’equilibrio termico dei vari elementi dell’edificio. Questi strumenti sono molto potenti e offrono un’analisi molto dettagliata dell’andamento dei flussi d’aria e delle temperature all’interno di un edificio; gli svantaggi principali sono la difficoltà di utilizzo, solo per esperti, e il loro costo elevato. 7.5.2 La normativa 11

Al crescente interesse nell'uso di sistemi a ventilazione naturale, non è seguito l'aggiornamento degli strumenti di progetto, quali, fra gli altri, le normative tecniche. L’applicazione alla ventilazione naturale dei parametri e dei valori di riferimento nati per la ventilazione meccanica costituisce, di fatto, un limite alla diffusione di questa strategia di controllo ed è quindi urgente un processo di messa a punto e ridefinizione dei criteri normativi.

CFD (Computational fluid dynamics)

9 E. Vian, Tesi di laurea in architettura, Metodi di valutazione e tecnologie per la ventilazione naturale degli edifici, rel. M. Grosso, P. Oliaro, Politecnico di Torino, 2002, pag. 168 10 M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici : concetti, precedenti architettonici, criteri progettuali, metodi di calcolo e casi studio, Rimini, Maggioli, 1997, pag. 423 11 V. Serra, La ventilazione naturale e le norme sulla qualità dell’aria, in L’architettura naturale n. 15/2002

169

Nonostante l'importanza del tema la normativa esistente relativa al controllo della qualità dell'aria attraverso la ventilazione naturale è ancora abbastanza limitata. Una norma importante in materia, anche se generale e valida per qualunque tipo di ventilazione, è la norma americana ASHRAE Standard 62-1999 "Ventilation for accettable indoor air quality". Attualmente, invece, in Italia l'unica norma che stabilisce dei valori di portata d'aria da immettere nell'ambiente al fine di mantenere accettabile la qualità dell'aria è la UNI 10339-1995 “Impianti aeraulici a fini di benessere. Generalità, classificazione e requisiti. Regole per la richiesta d'offerta, l'offerta, l'ordine, la fornitura", che vale unicamente per la ventilazione meccanica. La portata necessaria per il controllo della qualità dell'aria può essere stabilita seguendo due approcci differenti: l'approccio prescrittivo e l'approccio prestazionale. Nell'approccio prescrittivo si stabilisce la portata volumica di aria esterna, per persona o in funzione della superficie di pavimento, oppure il numero di ricambi orari, in base alla categoria dell'edificio e alla specifica destinazione del locale. Per la determinazione dei ricambi d'aria nel periodo invernale (a finestre chiuse) si può fare riferimento alle norme relative alla permeabilità all'aria dei serramenti. Nell'approccio prestazionale non viene stabilita la portata volumica di aria esterna ma la concentrazione accettabile di alcuni contaminanti principali. L'applicazione di questa procedura è attuabile solamente se è possibile identificare a priori i con-taminanti, se si conoscono i tassi di emissione delle diverse sorgenti inquinanti e se si è in grado di individuare il limite massimo di concentrazione. I valori di soglia possono essere definiti attraverso valutazioni quantitative oppure, in particolare per i contaminanti che producono odore o irritazione di occhi e mucose, attraverso valutazioni soggettive compiute su un campione di persone imparziali e non addestrate, chiamate ad esprimere un giudizio sulla qualità dell'aria di un ambiente controllato. Il contaminante principale viene scelto soprattutto in base alla destinazione d'uso dell'ambiente; ad esempio per i garage si assume l'ossido di carbonio, per le sale conferenze l'anidride carbonica, per le abitazioni il vapore acqueo o l'anidride carbonica. L'incremento della portata di ventilazione porta ad una riduzione della concentrazione dei contaminanti, ammesso ovviamente che la qualità dell'aria esterna sia accettabile. Per quanto riguarda la ventilazione ai fini del raffrescamento estivo, non esistono attualmente normative specifiche che definiscano degli indici e dei valori di riferimento per il comfort termico. E poiché la ventilazione naturale fornisce delle condizioni ambientali più variabili rispetto ad un impianto di climatizzazione, che se ben progettato è in grado di garantire le condizioni ambientali volute in qualsiasi situazione, è necessario

Qualità dell’aria

Comfort termico

170

che l'intero approccio al comfort termico attualmente utilizzato nelle norme nazionali ed internazionali venga rivisitato. Le norme sul comfort termico, quali la norma americana ASHRAE 55-1996 "Thermal environment conditions for human occupancy" e la norma ita-liana UNI EN ISO 7730-1997 "Ambienti termici moderati - Determinazione degli indici PMV e PPD e specifiche per le condizioni di benessere termico" si basano infatti su un modello "statico" di comfort termico che vede l'occupante come un passivo contenitore di stimoli termici e il cui giudizio soggettivo è considerato unicamente come espressione del bilancio termico corpo-ambiente circostante e valido quindi in qualsiasi tipo di edificio, in tutti i climi, per tutte le popolazioni. Questo approccio è fortemente messo in discussione da vari ricercatori che evidenziano come il comfort termico debba essere considerato nella sua dimensione sociale, culturale e climatica. Inoltre, l'approccio utilizzato in questi standards mira a minimizzare il numero di occupanti insoddisfatti individuando un set di condizioni termiche che devono essere mantenute uniformemente nello spazio e nel tempo. Questo porta il progettista ad optare per soluzioni impiantistiche, dato che diffi-cilmente attraverso soluzioni "naturali" si riuscirebbero a rispettare le condizioni volute. Nel tentativo di colmare questa lacuna normativa, nel 2000 l'ASHRAE ha promosso un progetto di ricerca in cui sono stati raccolti ed analizzati un larghissimo numero di dati di comfort, ottenuti da misure in campo su 160 edifici, collocati in quattro continenti, in diverse condizioni climatiche. I risultati hanno evidenziato un'ottima rispondenza con la teoria di Fanger, che sottende le norme citate precedentemente, nel caso di edifici con impianto centralizzato e nulla o minima interazione dell'oc-cupante con le condizioni ambientali, mentre sono stati rilevate differenze significative nel caso di edifici ventilati naturalmente e con possibilità da parte dell'occupante di modificare il proprio microclima. In questo secondo caso, infatti, gli occupanti hanno dimostrato una maggiore tolleranza alle fluttuazioni dei parametri ambientali rispetto alle previsioni della teoria citata, comportamento che sembra attribuibile ad un fenomeno di adattamento di tipo fisiologico, comportamentale e psicologico che si verifica quando l'occupante ha una maggiore interazione con l'ambiente. Questi risultati, che hanno confermato la validità di un approccio al comfort di tipo adattativo, ha dato origine a nuovi valori di riferimento e a nuovi indici di comfort che dovreb-bero essere recepiti prossimamente a livello normativo. Se, infatti, nelle norme attuali sul comfort termico la temperatura operativa interna estiva, in ventilazione naturale ma con velocità dell'aria inferiore a 0.2 m/s, limite previsto dalle norme, e in condizioni di attività sedentaria e abbigliamento tipico estivo, deve essere mantenuta sui 26°C, nell'approccio adattativo la temperatura operativa interna ottimale non è un

171

valore unico ma dipende dalle condizioni ambientali esterne, per cui ad esempio in zone climatiche calde (temperatura dell'aria esterna media superiore a 30°C) risulta accettabile una tem-peratura operativa interna maggiore (pari a 28°C). È inoltre evidente che, in ventilazione naturale, la velocità dell'aria è un parametro fondamentale al fine del controllo del comfort termico nel periodo estivo e che a velocità dell'aria maggiori corrispondono temperature operative interne accettabili maggiori e che, quindi, il limite di 0.2 m/s è valido per ambienti ventilati meccanicamente ma risulta fortemente penalizzante per ambienti che si vogliano ventilare naturalmente. Quando le normative recepiranno questi risultati si apriranno senza dubbio maggiori possibilità di diffusione della ventilazione naturale in ambiti meno tradizionali, come appunto il terziario. Un ulteriore impulso può venire dall'ampia attività di ricerca che si sta svolgendo a livello internazionale sulla ventilazione ibrida. Anche in questo caso sarà però fondamentale la messa a punto di norme tecniche specifiche che permettano ai progettisti di adottare soluzioni più "naturali" e di verificarne l'effettiva capacità di creare condizioni confortevoli.

172

TAVOLE SINOTTICHE RIASSUNTIVE

Manifesto dell’architettura naturale Arup associates, 2001 Solihull Campus

174

La funzione definisce la forma R. Rogers Partnership,2000 Lloyd’s Register of Shipping

Il primo grattacielo “ecologico” N. Foster & Partners, 1996 Commerzbank

L’importanza dell’involucroHopkins & Partners, 2000 New Parliamentary Building

L’università sostenibile

Hopkins & Partners, 1999 Jubilee Campus

Gli uffici sull’acqua Kiessler & Partners, 1995 Science & Technology Park

Torri del vento contemporanee M. Cucinella, 1998 Edificio per uffici

L’“Air Lake” M. Cucinella, 1992 Università di Cipro

175

176

La tecnologia al servizio dell’ambiente M. Cucinella,1998 Sede centrale IGuzzini Illuminazione

Il sole in casa Thomas Herzog , 1979 Residenza privata

Elogio della leggerezza N. Foster & Partners, 1993 Liceo A. Camus

La “memoria termica” del sottosuolo M. Gasparotti, M. Nodari, 2000 Edificio per ergoterapia

Una corte per il controllo ambientaleR. Rogers Partnership, 1999 Edificio Daimler Chrysler

I caratteri ambientali dell’architetturaHopkins & Partners, 1995 Inland Revenue Center

Lo sfruttamento dell’escursione termica A. Tombazis & Associates, 2000 Uffici Meletitiki ltd

177

CAPITOLO IX

IL PROGETTO

9.1 Il luogo di progetto L’area di progetto è situata nel Comune di Solto Collina, un paese che sorge sulle pendici dei rilievi che si affacciano sulla sponda ovest del lago d’Iseo, a 435 m di altitudine sul livello del mare. L’area appartiene all’ambito del Sebino, interposto fra la Val Camonica e la pianura, diviso fra le province di Bergamo e di Brescia, che si qualifica come territorio omogeneo per la presenza unificante del lago d’Iseo. Il lago, racchiuso dalle dorsale prealpina, occupa la sezione inferiore del bacino vallivo della Val Camonica, il cui invaso, come per gli altri laghi della fascia prealpina, è il risultato di fratture antiche e di modellamenti glaciali pleistocenici. Sulla sponda bergamasca gli scenari lacustri, severamente circoscritti da pareti calcaree e dolomitiche (i celebri orridi, come il Bögn di Zorzino e di Castro; le emergenze rocciose del Corno di Predore, di Zorzino) si alternano a versanti collinari degradanti verso il lago, caratterizzati dalla puntuale distribuzione di mezzacosta degli insediamenti (Solto Collina, Vigolo, Parzanica). La presenza del lago denota il caratteristico paesaggio, detto insubrico, che è uno dei più peculiari della fascia prealpina, ma anche uno dei più significativi e celebrati della Lombardia e d’Italia. Alla presenza delle acque lacustri si devono numerosi elementi di singolarità riguardanti l’organizzazione degli spazi (tipo di colture, di insediamento, attività tradizionali come la pesca, interrelazioni per via d’acqua…) e le testimonianze storiche, la percezione e la fruizione del paesaggio come scenario di soggiorno e turismo. La rilevante funzione termoregolatrice del lago esercita benefici influssi sul clima, anche per la presenza di un vento costante che soffia di giorno dal basso lago verso nord, detto “l’Ora”, e di notte in senso contrario, dalle montagne verso sud, detto “Vet”. Questo influsso si manifesta anche nella vegetazione, caratterizzata da lecci, ulivi, cipressi, unici a queste latitudini e a così prossima vicinanza con gli ambienti freddi degli orizzonti alpini. Colture tipiche di questi ambienti sono i frutteti, i vigneti, gli uliveti, coltivati sulle tradizionali sistemazioni agrarie terrazzate, oggi rimaste tracce di un paesaggio agrario esteso e regolare del passato. Un gradino più in su gli uliveti lasciano il posto ai castagneti, e alla fascia di vegetazione del bosco ceduo di versante, costituita da faggi, noccioli, carpini, frassini e rovere, con macchie di conifere a quota maggiore.

180

Il lago d’Iseo visto da nord

Il versante collinare con i paesi di Solto Collina e Riva di Solto
Uliveti

9.2 Aspetti morfologici Il concept design del progetto nasce dalla disposizione di due volumi a pianta quadrata, che si “trasformano” e si definiscono nel rapporto con il pendio, elemento che connota fortemente il contesto progettuale. Il volume più basso è orientato secondo l’andamento naturale del terreno, quello più alto è orientato a sud, per sfruttare l’apporto solare: l’intersezione dei due elementi genera l’architettura. Elemento che connota il progetto è la copertura inclinata, una “pelle” tecnologicamente avanzata in grado di sfruttare l’apporto solare, sia passivo che attivo. Il criterio insediativo delle unità residenziali sul lotto rispecchia la caratteristica sistemazione edilizia a ripiani sovrapposti e degradanti verso il lago: il progetto propone la realizzazione di un accesso carrabile e un parcheggio nell’area a sud, a ridosso della sede stradale, dalla quale le unità sono accessibili tramite un percorso pedonale e un elevatore elettrico, alimentato da energia fotovoltaica. Le unità residenziali sono disposte sul lotto in modo da garantire a ognuna una buona esposizione alla radiazione solare e la vista sul lago; sono collegate tra loro da percorsi pedonali nel verde, che si snodano seguendo l’andamento naturale del terreno, ricavati nel pendio, come i tradizionali sentieri collinari o mulattiere, definiti da muri a secco in pietra. 9.3 Aspetti tipologici-distributivi Il progetto risponde alle richieste di tipo funzionale espresse nel bando di concorso, cioè un’abitazione per un' utenza caratterizzata da una famiglia composta da due adulti, due bambini e un’anziana. L’assetto planimetrico è determinato secondo regole aggregative e organizzative che vanno al di là della tradizionale suddivisione in vani, privilegiando lo spazio di relazione, che nasce dalle esigenze di socializzazione della famiglia. Nello stesso tempo, progettare una casa per il XXI secolo, come citato espressamente nel bando di concorso, significa considerare il mutamento del modo di vivere, che spesso riunisce due attività da sempre considerate separate, cioè casa e lavoro, e comporta degli spazi flessibili, autonomi. Il concept dell’intersezione dei volumi definisce il soggiorno a doppia altezza, fulcro dell’intera abitazione, attorno al quale si snoda una rampa, elemento funzionale e architettonico nello stesso tempo, che distribuisce gli ambienti realizzati su più livelli. L’ingresso è situato sul lato ovest dell’edificio a quota + 0.50; a questo livello si trovano una camera da letto con un bagno e una zona di servizio, con un guardaroba e un bagno per gli ospiti.

181

Dal soggiorno, scendendo una breve rampa si accede alla cucina e alla zona pranzo, al livello 0.00, affacciate sulla terrazza a sud, verso il lago, illuminate naturalmente da ampie vetrate e protette da un frangisole orizzontale aggettante. Percorrendo la rampa si accede alle camere da letto, ognuna con proprio bagno, situate rispettivamente ai livelli + 1.50, +2.00 e + 3.55, accessibili anche da una scala dal soggiorno. Alla quota + 3.10 si trova la terrazza, esposta a sud. Nell’ottica della flessibilità e nella previsione della possibilità di realizzare un accesso carrabile al lotto, al livello + 1.50 è stato previsto un ingresso secondario di servizio, collegato ad un garage interrato sul lato nord dell’abitazione: da qui si accede allo spazio adibito allo studio, al livello + 5.00. All’ultimo piano, a quota + 6.80, è stato ricavato un vano tecnico, dove collocare gli impianti necessari per il sistema solare attivo. 9.4 Strategie ambientali e aspetti tecnologici Le strategie ambientali sono mirate al miglioramento del comfort termoigrometrico all’interno dell’edificio, facendo particolare attenzione al tema del raffrescamento estivo. Le condizioni microclimatiche e ambientali e l’esposizione del sito hanno reso possibile una climatizzazione passiva basata sulla ventilazione naturale e sullo sfruttamento degli elementi naturali quali il sole e il terreno. Il sistema di ventilazione naturale si basa:

- sulla progettazione delle aperture - sullo sfruttamento del terreno come pozzo termico per la

climatizzazione dell’aria - sull’attivazione di un effetto camino naturale all’interno

degli ambienti che inneschi una ventilazione naturale Il sistema di climatizzazione dell’aria si basa sull’utilizzo di condotti interrati che agiscono come scambiatori di calore terreno-aria; considerando che il terreno è un eccellente moderatore delle fluttuazioni termiche, questo permette di raffrescare l’aria in estate e preriscaldarla in inverno (per il ricambio d’aria). L’aria viene immessa in ogni ambiente attraverso una bocchetta, situata a circa 10 cm dal pavimento: l’estrazione naturale viene garantita da una bocchetta posizionata sulla parete, a livello del soffitto, collegata con l’intercapedine della parete ventilata: l’effetto camino che si crea nell’intercapedine contribuisce a estrarre l’aria.

Nel soggiorno a doppia altezza un’intercapedine a contatto con l’intradosso della copertura, e collegata con la facciata a nord, garantisce l’estrazione dell’aria calda che si accumula nella parte alta dell’ambiente: questo effetto è migliorato dalla radiazione solare che penetra attraverso i moduli vetrati della copertura in corrispondenza dell’intercapedine (camino solare). Le soluzioni tecnologiche sono strettamente correlate alle strategie ambientali adottate.

182

L’involucro

La ventilazione naturale

La facciata sud è maggiormente vetrata rispetto agli altri affacci, per poter sfruttare l’apporto solare invernale, che viene accumulato nella struttura. La struttura di elevazione è in cemento armato e i solai sono in laterocemento. La scelta di utilizzare questi materiali è connessa ai vantaggi termici di una struttura “pesante”, ad alta inerzia termica: in estate il calore accumulato nelle ore di maggior radiazione solare viene trasferito negli ambienti nelle ore tardo pomeridiane, quando l’apporto termico è più necessario. D’estate la radiazione solare viene schermata attraverso due frangisole a lamelle orizzontali in acciaio e legno, disposti sulla facciata sud. La facciata a sud-ovest presenta un muro ad accumulo termico indiretto, tipo “Muro di Trombe”, che riscalda la cucina. E’ composto da una parete pesante, che costituisce la massa di accumulo, in laterizio pieno (spessore 25 cm), con una superficie esterna di colore scuro, e una superficie vetrata all’esterno (doppio vetro), con interposta un’intercapedine d’aria. Il calore ottenuto dalla radiazione solare viene in parte trasmesso verso l’interno per conduzione attraverso la parete, e in parte ceduto all’aria che, scaldandosi, tende a salire entrando nell’ambiente attraverso apposite aperture poste sulla parte superiore della parete, mentre aria più fredda viene richiamata nell’intercapedine attraverso aperture nella parte inferiore. Il muro è stato concepito per il riscaldamento passivo; tuttavia d’estate può innescare un ricircolo dell’aria molto efficiente se vengono aperte le bocchette verso l’interno: questo effetto di estrazione può essere utile sia d’estate per il raffrescamento, che d’inverno per smaltire l’aria viziata. Durante l’estate il “Muro di Trombe” funziona da camino solare, evitando fenomeni di surriscaldamento; d’inverno e durante la notte il muro viene protetto da una tenda avvolgibile, in modo da non disperdere per reirraggiamento il calore accumulato. L’involucro di facciata è costituito da una parete in termolaterizio da 25 cm, con un isolamento da 10 cm; il rivestimento è costituito da fasce alternate in pietra e in legno, materiali naturali tipici della tradizione costruttiva locale. Le parti in pietra sono realizzate secondo la tecnologia della parete ventilata, che permette l’estrazione dell’aria dagli ambienti, come spiegato sopra. Inoltre la facciata ventilata facilita lo smaltimento del contenuto di umidità proveniente dall’interno, fornisce una buona protezione della struttura muraria dagli agenti atmosferici, garantisce l’eliminazione dei ponti termici grazie allo strato continuo di isolante, e lo smaltimento della radiazione solare incidente sul paramento esterno nel periodo estivo, evitando che il calore si trasmetta alla muratura. Il solaio a contatto con il terreno è stato realizzato con un vespaio areato, su muricci e tavelloni, collegato a intercapedini verticali controterra dotate di griglie di areazione.

183

L’esposizione dell’edificio a sud, in un’area con pochissime ostruzioni, ha determinato la scelta di utilizzare tecnologie solari di tipo attivo; la scelta è stata orientata verso l’integrazione, ovvero applicando il sistema solare come elemento dell’involucro edilizio stesso, in questo caso la copertura, inclinata per ottimizzare le prestazioni dell’impianto . Il sistema è costituito da moduli fotovoltaici, moduli fototermici, e moduli trasparenti apribili, su un tetto in legno isolato, con struttura in legno lamellare. I moduli fototermici sono destinati alla produzione di acqua calda sanitaria e all’integrazione dell’impianto di riscaldamento a pavimento. I moduli fotovoltaici producono energia per soddisfare il fabbisogno energetico dell’utenza, e il surplus può essere immesso in rete e venduto.

184

La copertura

9.5 Allegati 9.5.1 “2003 Design Competition for an Ecohouse”:

Bando di concorso

185

9.5.2 Dati climatici dell’area di progetto

Radiazione solare media mensile incidente sulla superfice terrestre

0,001,002,003,004,005,006,007,00

Gen Feb Mar AprMag Giu Lu

gAgo Set Ott

Nov Dic

Media

Annua

le

Rilevamento decennale 1991-2000

kWh/

m2/

gior

no

Nuvolosità media mensile

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

% di cielo coperto

Altitudine solare media mensile

01020304050607080

Gra

di

Media 23,7 32,1 42,7 54,2 63,3 67,6 65,7 58,3 47,6 36 26,3 21,6


186

Andamento Giornaliero dell'Altitudine Solare

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2122 23 24

Ore

Gen

Feb

Mar

Ott

Nov

Dic

Andamento Giornaliero dell'Altitudine Solare

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Ore

Gra

di

Apr

Mag

Giu

Lug

Ago

Set

Umidità relativa media mensile

60

65

70

75

80


Rilevamento trentennale 1961-1990

%

187

Temperature medie mensili

-5

0

5

10

15

20

25

30



Gra

di C

°

minimemassime

Precipitazioni medie mensili

020406080

100120140



mm

3

Velocità media mensile del vento a 10 m

22,22,42,62,8

33,23,4

Gen Feb Mar AprMag Giu Lu

gAgo Set Ott

Nov Dic

Media

annu

ale

Rilevamento deccenale 1991-2000

m/s

188

9.5.3 Intervista a Mario Cucinella “…Con il superamento della concezione strettamente funzionalistica del Movimento Moderno abbiamo capito che, nonostante l’aspetto funzionale sia importante, soprattutto per alcune tipologie di edifici, non può essere quello che guida il progetto di archi ettura. Se pensiamo ad esempio a un ospedale, il progetto di architet ura deve aggiungere una complessità formale che trasformi una struttura ospedaliera in un luogo. Penso che nell’architettura contemporanea si stia assistendo a una sorta di fusione tra i due aspetti, in cui la forma è qualcosa di più complesso, che tiene conto dell’aspetto climatico e ambientale. Il rapporto tra strategie ambientali e soluzioni tecnologiche è però mol o delicato perché l’ambiente si muove su caratteristiche di tipo variabili, mentre la tecnologia simuove su parametri rigidi.Per molto tempo abbiamo tratta o la tecnologia come una sorta di risolutore universale, ma oggi io credo che l’architettura abbia una matrice molto più ambientale che tecnologica; la tecnologia non è mai l’inizio ma è un elemento che si aggiunge per terminare un processo.

tt

t

t

t

tt

,

..) tt

t

t tr

t t

La tecnologia deve evolversi verso la complessità degli organismi naturali, che si adattano alle condizioni climatiche; deve diven are sempre meno “tecnologica” e sempre più flessibile. Non dovrà più essere un valore aggiunto esterno al progetto, legato all’energia o all’aspetto impiantistico, ma sarà legata alle carat eristiche quasi genetiche delle materie, raggiungendo un livello di perfezione tale da non essere visibile, ma con enuta intrinsecamente nei materiali dell’architettura. Se consideriamo ad esempio la tecnologia del vetro, mi sembraimportante investire sulla sperimentazione di caratteristiche come la temperatura, la densità, la selettività o la fotocromia che permettono all’ involucro di reagire alle condizioni esterne. Questa ricerca, che è molto complessa ed energeticamente costosa, permette però di costruire edifici che si adattano alle condizioni esterne (luminosità, radiazione solare, e ques a mi sembra una frontiera estremamente interessan e per l’architettura. Nella progettazione di un edificio ecosostenibile entrano in giocomolti aspetti tecnico-scientifici, che l’architetto deve considerare sin dalla fase preliminare; per questo noi archi etti dovremmo farci un bagaglio di conoscenze che ci permettano di disegnare degli edifici che con engano in insecamente le caratteristiche ambientali. Nel passato questa sintesi tra disegno e strategia ambientale hasempre connotato l’architettura; nel nostro tempo, carat erizza o da una sfida tecnologica, di linguaggio, e legata a un nuovo uso dello spazio, questa sintesi deve essere recuperata nella progettazione di edifici dove l’aspetto ambientale non sia un accessorio da aggiungere ma la matrice dell’architettura stessa.

189

Fondamentale è quindi la fase più creativo- artistica del progetto detta euristica, in cui nasce l’idea dell’edificio. ,

tr

r ,f

t

t ,t

,

r

fr t t

t f

t r r rr

r

t

. t

tr

Spesso ci sono dei siti che con engono già delle caratteristiche intrinseche, dei temi da sviluppa e che guidano il processo progettuale, mentre alt e volte è il processo stesso di fare buttare e ri are, che fa nascere il concept di un edificio; quandoè il progetto stesso che guida le scelte, io mi faccio portare, senza pregiudizi, o idee troppo rigide, e senza determinare un dizionario linguistico a priori, perché credo che non si possa progettare lo stesso edificio a Roma o a Calcutta. Il processo di progettazione è un lavoro collegiale carat erizzato da una profonda contaminazione, poiché nel processo intervengono tan e figure, dall’architetto, all’ingegnere all’impiantista, al committente, e ognuno porta per compe enze e per necessità tanti apporti. Questa contaminazione è fondamentale, perché aiuta a dare complessità al progetto; personalmente, io lavoro sempre molto bene con l’ingegneria, perché è un mondo dove prendere tanti spunti di carattere tecnico che possono svelare delle soluzioni formali assolutamente straordinarie. L’aspetto più difficile è però il governo di questo p ocesso di confronto, vera e propria “battaglia” che vede l’architetto come una pedina fondamentale, con il compito di guidare l’evoluzione del progetto.

Ma veniamo al tema del risparmio energetico: prima di af on are ques o argomento vorrei fare una premessa: a mio parere l’ architettura, per sua stessa natura, è un’attività che consuma risorse, cos ruendo edi ici che a loro volta consumanoenergia; per questo motivo io preferisco sempre parlare di “efficienza dei sistemi” piuttosto che di risparmio energetico. In quest’ottica, il tema del raffrescamento e della ventilazione naturale assume grande importanza, se consideriamo il differen e costo energetico di f igo ie e calorie (per produ e una frigoria ci vogliono 5 calorie!). In alcuni tipologie di edifici, come quelli commerciali o per uffici, l’aumento delle tecnologie (computer, attrezzature elettriche,..) rende spesso necessario il raffrescamento anche in inverno, aumentando molto i consumi; se inoltre consideriamo che questi edifici sono in continuo aumento, dato che la nostra società è sempre meno industrializzata e semp e più terziaria, si spiega perché il principale oggetto di ricerca in questo campo è sta o sicuramente l’ edificio per uffici. In realtà questo tema coinvolge anche gli edifici residenziali, grandi consumatori di energiaPer cos ruire un’ appartamento di 80 mq, che possiamo considerare una media delle case italiane, ci vogliono 5 tonnellate di petrolio di materie (mattoni, intonaco, ecc...); per l’utilizzo, cioè per le esigenze di riscaldamento, raffrescamento, produzione di acqua calda, ecc…, ogni casa consuma ogni anno una tonnellata di pe olio. Questo evidenzia che il vero

190

p oblema non è costruire ma mantenere nel tempo gli edifici residenziali. r ,

ff t

r

,

t

t

, ft

r

rt

r

t t

f r t t

tt

t ,

t t

Nella residenza il tema del ra rescamento però è s ato affrontato con più difficoltà, perché si tratta di un ambito meno normato , che viene “pe sonalizzato” a seconda delle esigenze. Il problema del raffrescamento va visto in termini più generali, e coinvolge molti altri temi. Prima di tutto il tema dell’efficienza dell’involucro: il parco immobiliare italiano è uno dei più inefficienti del mondo, le caseconsumano molta energia primaria e, essendo poco isolate disperdono energia. Questo rende inefficace qualsiasi sistema diraffrescamento, sia di tipo tradizionale, come l’uso di condizionatori, che di tipo naturale passivo. Stiamo progettando un quartiere residenziale a Piacenza (…) nel quale, così come negli esempi oltralpe, realizzati a Friburgo e a Francofor e in questi ultimi anni, il tema dell’efficienza energetica viene affrontato attraverso una serie di scelte progettuali, che riguardano l’esposizione degli edifici, la capacità di raccogliere radiazione solare e di accumularla nella massa termica, la scelta dei materiali, l’uso di grandi superfici vetra e, un uso dello spazio senza vincolarlo in modo eccessivo ai fini della ventilazione naturale, l’utilizzo della luce naturale. Un altro aspetto fondamentale, che in Italia è stato poco oggetto di ricerca nella progettazione di un edi icio residenziale, è la quali à dello spazio: spesso purtroppo le tipologie più diffuse rispondono a logiche speculative, come ad esempio la concezione della casa come successione di vani, checontrasta con la necessità di ave e degli spazi comuni più grandi, per un modo di abitare che è ormai cambiato. Sempre nel progetto di Piacenza, abbiamo p oposto case a schiera con cor i d’accesso che sono anche spazi di incontro e di socializzazione, perché crediamo che progetta e una tipologia residenziale significhi proporre un modello di socialità, un nuovo modo di abi are, e in Italia da questo pun o di vista c’è ancora molto da fare!

Veniamo in particolare al tema della ventilazione naturale. Come ho af ermato p eceden emen e, la ventilazione come strategia ambientale è strettamente legata al tema più generale della progettazione dell’involucro, dell’esposizione dell’edificio, quindi dell’architettura s essa. Una frontiera interessan e è quella della temperatura dell’aria: nei sistemi tradizionali a fan-coil o ad aria condizionata l’aria viene raffreddata a 8° C, immessa negli ambienti e miscelata con dell’aria molto calda per raggiungere le condizioni di comfort; in questo modo viene sprecata molta energia. Io penso che il processo dovrebbe avvenire in modo opposto, cioèimmettendo in un ambiente dell’aria neutra a 20°-22°, temperature abbas anza basse, vicine a quelle di comfort e lasciando che si scaldi da sola attraverso il contatto con le persone a 38°C o con i compu er: il fenomeno na urale di risalita fa in modo che l’aria in cima alla stanza sia al di sopra

191

delle temperature di comfort, ma ha ormai svolto la sua azione raffrescan et .

t

r r t

t

t

t

t

t

f

t

t

t f tt

,r

,

t

Un altro tema fondamentale connesso all’utilizzo della ventilazione naturale è quello della definizione dei parametri stessi di comfort: fino ad oggi il comfort è stato definito come un numero, per ragioni di tipo specula ivo. E’ necessario un cambiamento di filosofia, che tenga conto della naturale capacità dell’uomo di adattarsi alle variazioni di temperatura: il passaggio da un numero a un inte vallo di valori, ad esempio da22°C a 22°- 26°C, potrebbe influire p ofondamen e sul dimensionamento degli impianti, e quindi sul consumo di energia, e potrebbe favorire l’adozione di sistemi naturali che, per loro s essa natura, sono variabili in relazione alle condizioni climatiche. La ven ilazione naturale porta con sè il tema dell’analisi: il campo dell’aria è uno dei più complicati perché gli spostamenti dei flussi sono condizionati da fat ori impercettibili. La luce è un fattore di scala, quindi l’utilizzo di modelli in scala può essere utile per misurare l’illuminamento; l’aria al contrario non è un fattore di scala; per s udiare il comportamento dei flussi d’aria in un edificio e trarne indicazione utili in fase progettuale può essere comunque in eressante realizzare un modello in scala 1:20, e portarlo in una galleria del vento (a Cardiff, in Inghilterra, c’è una galleria del vento con una sezione specifica di architettura che si occupa di prove sugli edi ici). Nel campo degli strumenti informatici, attualmente sono disponibili vari programmi, ma quelli che permettono di avvicinarsi meglio alle condizioni reali sono i CFD, Computational Fluid Dynamics. Questi strumenti sono molto complessi e possono essere utilizzati solo da personale appositamente forma o; inoltre non sono finalizzati alla progettazione ma alla conferma numerica di una strategia che il progettista deve già conoscere qualitativamente.

In un ambito urbano, specialmente se c’è molto inquinamento, una strategia basata sulla ven ilazione naturale rischia di dover ricorrere a sistemi troppo meccanici. Si può progettare un sis ema di doppia pelle con ef e o camino che estrae l’aria in modo naturale, ma l’aria deve essere filtrata prima di essere immessa negli ambienti, ad esempio attraverso un sistema a basso consumo o a bassa velocità, che produca a ia neutra a 20-22°C. Per essere sinceri, in questi casi il parametro che guida queste scelte è il comfort, non il risparmio energetico: pensiamo ad esempio all’edificio del Parlamento di Hopkins a Londra, che hareso necessario un apparato tecnologico molto costoso risultando poco efficien e in termini di risparmio energetico effettivo. Io non condivido questo approccio troppo tecnologico; credo che la vera sfida non sia quella di costruire macchine, ma degli edifici che siano sempre meno tecnologici, ma sempre più in grado di aprirsi, di reagire alle condizioni esterne, in cui

192

l’apporto architettonico diventa fondamentale nel bilancio globale di efficienza energetica. Sempre più spazio, sempre più luce, sempre più aria. Se consideriamo la situazione attuale e le prospettive future, direi che dal punto di vis a delle conoscenze, sia a livello italiano che europeo, siamo a buon pun o: il problema in questo momento è la mancanza di applicazione dei sistemi , cioè la parte attua iva, e questo è il grande lavoro che stanno facendo la Comunità Europea e il Ministero dell’ambiente i aliano.

tt

tt

,

rt

t .

tt

, f

tr t

t

t

Mancano ad esempio, i professionisti informati: i nostri impiantisti non sono in grado di stabilire quanto porta di beneficio il contributo della massa termica, o della radiazione solare in un edificio, non riuscendo di conseguenza a ridur e il dimensionamento degli impianti in modo oppor uno. Così spesso succede che la percentuale di incidenza delle strategie ambientali viene considerata nulla, e l’impianto viene dimensiona o per sopperire al 100% dei bisogniIl problema energetico non è un’opzione, non avremo scelta, sarà così; la sensibilità c’è e sta aumentando sempre di più, grazie anche all’aspet o commerciale, di marketing, che questo tema dell’eco-sos enibilità porta con sé. Ad esempio stiamo progettando un edi icio per uso misto a Pechino (…) con il Ministero dell’Ambiente italiano, in cui il problema energetico non viene risolto attraverso una soluzione unica, ma solo addizionando tante strategie (illuminazione , ventilazione, esposizione, impianti,…): alla fine il bilancio è veramente significativo e ancora una vol a dunque la chiave di tutta questa vicenda è p oprio l’archi ettura. Noi dovremmo riuscire a costruire in questi anni degli edifici belli, che funzionano, e che contengano intrinsecamente questa sovrapposizione di strategie ambientali dimos rando che in realtà la sostenibilità non è un valore aggiunto ma fa parte dell’archi ettura. Il tema energetico ci dà una grande opportunità linguistica, di disegnare gli edifici in maniera diversa: il risultato non sarà un’architettura complicata ma un’architettura nuova!...”

193

10 BIBLIOGRAFIA RAGIONATA 10.1 Progetto e ambiente

- [a cura di] Carlo Monti et al, Costruire sostenibile : 2000 , Firenze, Alinea, Bologna, BolognaFiere, 2000

- [a cura di] Carlo Monti, Riccardo Roda, con la collaborazione di Maria Rosa Ronzoni, Costruire sostenibile : il Mediterraneo 2001, Firenze, Alinea, 2001

- [a cura di] Carlo Monti et al, Costruire sostenibile : l'Europa : 2002 , Firenze, Alinea; Bologna, BolognaFiere, 2002

- E. von Heijenfeldt, H. Geluk et al., Below ground level, Birkhauser, Basel, 2003. - S. Behling, Solar power: the evolution of sustainable architecture, foreword by N.

Foster, Prestel, Munich, 2000 - R. Rogers & P. Gumuchdjian, Città per un piccolo pianeta, E.R.I. d’A/ KAPPA, 1997 - J. D. Hoag, L’architettura araba, Rizzoli, 1965. - A. Fanchiotti, I “covoli”, in Spazio e società, n. 19,1982 - [a cura di] G. Scudo e S. Piardi, Edilizia sostenibile, 44 progetti dimostrativi,

Esselibri S.p.a., 2002

10.2 Ventilazione naturale e raffrescamento passivo - S. Bruno, Progettazione bioclimatica e bioedilizia : manuale di architettura per

edifici e impianti ecocompatibili / Stefano Bruno. - 2. ed. (2002) integrata con i contenuti del Codice concordato con l'analisi completa di un nuovo progetto di ristrutturazione e con considerazioni medico-scientifiche sull'abitare sano. - Milano : Il sole-24 ore, 2001.

- Natural ventilation in buildings : a design handbook, Editor Francis Allard ; project coordinator Mat Santamouris ; contributors Servando Alvarez ... [et al.], London : James & James, c1998.

- M. Buono, Architettura del vento : design e tecnologia per il raffrescamento passivo CLEAN, Napoli, 1998

- M. Grosso, Il raffrescamento passivo degli edifici : concetti, precedenti architettonici, criteri progettuali, metodi di calcolo e casi studio, Rimini, Maggioli, 1997

- M. Bottero, G. Rossi, G. scudo, G. Silvestrini, Architettura solare: tecnologie passive e analisi costi-benefici, Milano, CLUP, 1984

- B.Givoni , Climate considerations in building and urban design, New York, Van Nostrand Reinhold, 1998

- S. Comandini, A. Dal fiume, A. Ratti, Architettura sostenibile, Officina ferrarese di architettura, Pitagora editrice Bologna, 1998

- A. Rogora, Architettura bioclimatica: la rappresentazione dell’ energia nel progetto, Esselibri, Napoli, 2003

- G. Scudo, Tecnologie termoedilizie: principi e tecniche innovative per la climatizzazione dell’edilizia, Città Studi Edizioni, Milano, 1993

- G. Scudo, Materiali, clima e costruzione, Città Studi Edizioni, Milano. - R. Serra Florensa, H. Coch Roura, L’energia nel progetto di architettura, Città Studi

Edizioni, Milano, 1997

195

- M. Grosso, Principi e tecniche di controllo dello scambio termico edificio-terreno, in Ambiente costruito n. 1/1997, pag. 52-62

- G. Scudo, Caratteri ambientali, climatizzazione naturale e approccio bioclimatico, in Ambiente costruito n. 1/1997, pag. 63-65

- G. Scudo, Sistemi solari ad aria, in Ambiente costruito n. 1/2001, pag. 10-19 - V. Calderaro, F. Fornari, La ven ilazione degli edifici, in HTE- Energie alternative n.

90/1994, pag. 218-225 t

f

t t

- A. Rogora, Sul raffrescamento naturale, in L’architettura naturale n. 15/2002- V. Serra, La ventilazione naturale e le norme sulla qualità dell’aria, in L’architettura

naturale n. 15/2002 - L’architettura naturale n. 15/2002 -dossier ventilazione naturale-- Natural ventilation and cooling strategies in new office designs, Information Dossier

n.2, march 1998, ENERGY COMFORT 2000 - Natural cooling & ventilation, in Solar energy in european office buildings, CIENE,

pubblicazione del programma Altener - Meletitiki Ltd- Athens, GR, in Solar energy in european office buildings, CIENE,

pubblicazione del programma Altener - Detail sull’architettura solare (n. 3/1997, n. 3/1999, n.6/2002 )

10.3 Paradigmi

- T. Herzog, Solar energy in architecture and urban planning, Munich, New York, Prestel, 1996

- Thomas Herzog: Architektur + Technologie / herausgegeben von Ingeborg Flagge, Verena Herzog-Loibl, Anna Meseure ; mit Beitrage von Peter Buchanan, Joachim Luther, Winfried Nerdinger, Munchen, Prestel, 2001

- A. Rogora, Edificio per ergoterapia a Dar o, in Ambiente costruitol n.2/2000, pag. 32-37

- A. Senatore, Arup Associates Solihull Campus, in L’archi ettura na urale n. 20/2003, pag. 24-31

- S. Agabio, E. Badano, Mario Cucinella, Maggioli editore, Rimini,1999 - [a cura di] I. Caltabiano, L’approccio bioclimatico nell’architettura di Mario Cucinella,

in L’architettura naturale n. 15/2002, pag. 10-13- M. Scamporrino, I. Caltabiano, Mario Cucinella: due progetti bioclimatici, in

L’architettura naturale n. 15/2002, pag. 14-19- M. Galletta, Sede centrale de Iguzzini a Recanati, in L’industria delle costruzioni n.

340/2000, pag. 46-53 - G. Simonelli, Edifici di nuova generazione, in Modulo n. 239/1998, pag. 130-137 - M. Vitta, Space and Light, L’arca edizioni,1998 - C. Maranzana, Cronache di gioie e dolori, in Costruire n. 179/1998, pag. 36-39 - [a cura di] Jacopo della Fontana, Innovazione e realismo: Hines office in Milan, in

L’arca maggio 2002, pag. 54-56 - E. Francis, B. Ford, Recent developments in passive downdraught cooling

architectural perspective, articolo in European directory of sustainable and energy efficient building 1999, James & James, London, disponibile sul sito www.jxj.com

- Samantha Hardingham, London, a guide to recent architecture, Batsford, London, 2002

196

- Norman Foster : Works, editor David Jenkins, vol. 1, fa parte di: Norman Foster : Works ,Munich ; London ; New York : Prestel, 2002

- Towards the Modern Vernacular , in Detail n. 6/1993, pag. 669 - L’arcaplus monografico su Foster n. 15/1997 - L. Greco, I. Savino, Variazioni sulla leggerezza. Un liceo di Norman Foster, in

Controspazio n. 5/1996, pag. 16-18 - Lycée polyvalent à Fréjus, in L’architecture d’aujourd’hui n. /1993 - Technical college in Fréjus, in Detail n. 6/1993, pag. 705-710 - Lycée polyvalent à Fréjus, in Le moniteur architecture n. 46/1993, pag. 13-14 - Business Promotion Centre in Duisburg , in Detail n. 3/1993, pag. 292-297 - L. Greco, I. Savino, Tra comfort e risparmio, in Costrui e n. 132/1994, pag. 111-

114 r

r

- Centro Tecnologico e Telematico a Duisburg, in Controspazio n. 5/1993, pag. 55-61

- K. Powell , 1: Team 4, Richard + Su Rogers, Piano + Rogers, Richa d Rogers partnership, vol. 1, fa parte di K. Powell , Richard Rogers : complete works, London, Phaidon, 1999

- Open Court, in The architectural review n. 1153/1993 - Simbologia e tecnologia, Bordeaux Law Courts, in l’Arcaplus n. 18/1998, pag. 66 - L’arcaplus : Rogers - C. Davies, Hopkins2 : the work of Michael Hopkins and Partners, London, Phaidon,

2001 - Low-energy office buildings, in Detail n. 6/1993, pag. 686-687 - J. McCarty, R. Riddall,C, Topp, Jubilee Campus, University of Nottingham, in The

Arup Journal n. 2/2001, sul sito della ARUP - Il campus dell’università di Nottingham: high tech e risorse sostenibili, in L’industria

delle costruzioni n. 351/2001 - University Campus, Nottingham , in The architectural review n. 1236/2000 - A. Labella, Solar architecture, Librìa, Melfi,2004 - L’architettura naturale n. 19/2002.

197

COSTRUIRE E ABITARE SUL LAGO: …...POLITECNICO DI MILANO FACOLTÀ DI ARCHITETTURA E SOCIETÀ MILANO...

Documents

Transcript of COSTRUIRE E ABITARE SUL LAGO: …...POLITECNICO DI MILANO FACOLTÀ DI ARCHITETTURA E SOCIETÀ MILANO...