Contesto macroclimatico

La prima categoria è costituita dai parametri relativi alle condizioni climatiche generali dell'area geografica in cui si applica l’involucro e comprende una serie di informazioni deducibili attraverso la consultazione di banche dati. Questi dati si definiscono, in generale, con il temine di macroclima e si identificano con una serie di parametri, specifici per ogni area geografica.

Nella letteratura di settore il macroclima viene definito come il livello “che rappresenta la specificazione degli elementi caratterizzanti la circolazione generale dell'atmosfera alla scala continentale e oceanica, per un'ampiezza verticale di circa 12 km (ad esempio, il clima eurasiatico dominato dagli anticicloni delle Azzorre, il sistema nordamericano dominato dall'anticiclone canadese, il sistema dell'area dei monsoni)1_{”. In questa sede il termine viene utilizzato in maniera non del tutto propria,}

sostituendolo con il significato più appropriato di topoclima, cioè che rappresenta la caratterizzazione climatica a scala locale, per un'estensione orizzontale dell'ordine delle decine di chilometri e verticale di un km; climi locali tipici sono, ad esempio, i climi urbani. Tra questi si inserisce il clima della Pianura Padana caratterizzato da un

1_{Grosso, M., Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato, Maggioli,} Rimini, 2008

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incremento dell'escursione termica annuale (da 20 °C a 25 °C), con un aumento delle temperature medie estive (temperatura media di luglio superiore a 22 °C) e un abbassamento di quelle invernali, che possono raggiungere anche valori negativi. Il massimo di precipitazioni si sposta verso l'estate, mentre l'inverno diviene la stagione meno piovosa, durante la quale le precipitazioni cadono prevalentemente sotto forma di neve.

l dati climatici2 _{disponibili possono riguardare:}

- il rilevamento dei dati di un particolare periodo temporale;

- un anno tipo oppure un periodo di osservazione adeguatamente lungo.

Le variabili da determinare per la caratterizzazione del contesto macroclimato in una data località sono :

- la radiazione solare;

- l’ esposizione a venti e a precipitazioni meteoriche; - i cambiamenti dovuti all’alternarsi delle stagioni; - l’alternarsi delle ore del giorno;

- l’orientamento.

Quella che comunemente viene chiamata radiazione solare è costituita dalla radiazione solare globale ed è una misura dell'intensità della radiazione elettromagnetica solare che colpisce la Terra. L'angolo di incidenza e l'intensità della radiazione solare dipendono dai movimenti relativi della terra rispetto al sole (giornalieri e stagionali).

Al variare della latitudine varia l'angolo di incidenza dei raggi solari sulla superficie terrestre; di conseguenza, l'intensità di questi ultimi si riduce al crescere della latitudine producendo un aumento della componente riflessa dei raggi solari.

La radiazione solare complessiva ricevuta da una determinata superficie è il risultato di diverse componenti: la radiazione diretta, quella diffusa e quella riflessa del

2 _{Le fonti normative per la descrizione dei profili climatici di un'area si basano sull'elaborazioni} dei dati meteorologici registrati dalle stazioni meteorologiche (reti di rilevamento). In Italia i dati meteorologici sono raccolti a cura dell'Aeronautica militare, del Servizio Idrologico Nazionale e dell'ufficio Centrale di Ecologia Agraria (UCEA). Si hanno dati completi per circa cento località (soprattutto località sedi di aeroporti), mentre dati parziali sono disponibili relativamente ad un altro migliaio di località. Elaborazioni specifiche dei dati, finalizzate alla progettazione edile ed impiantistica, sono state effettuate da diversi enti. Una raccolta dati è stata effettuata dal CNR nell'ambito del Progetto Finalizzato Energetica e pubblicato, nel 1982, nel volume Dati climatici per la progettazione edile ed impiantistica; al 1999 risale invece la pubblicazione del Profilo climatico dell’Italia a cura dell’ENEA. Altre fonti di acquisizione dei dati climatici sono alcune norme specifiche emanate dall'UNI come, ad esempio, la UNI 10349 Riscaldamento e raffrescamento degli edifici: dati climatici; in questo caso, però, sono riportati i dati relativi solo ad alcune grandezze (temperatura, radiazione solare) e riferiti ai soli capoluoghi di provincia. Solo recentemente si sono rese disponibili banche dati trascritte su supporto digitale (Meteonorm).

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terreno (fig. 3.6). Quest'ultima si definisce albedo e rappresenta, insieme alla radiazione diffusa, un parametro microclimatico.

Ad ogni località corrisponde di conseguenza una specifica radiazione solare che viene definita attraverso il parametro dell'intensità: per determinarla occorre individuare in modo preciso la posizione del sole nelle varie ore della giornata e nei mesi dell'anno, utilizzando grandezze quali l'azimut e l'altezza solare3_.

Generalmente sono forniti i valori di radiazione solare diretta e diffusa, rilevati su una superficie orizzontale. I dati disponibili si riferiscono ai valori medi mensili, mese per mese, delle due componenti (UNI 10349). La radiazione solare globale è la principale responsabile delle condizioni climatiche del pianeta: la quantità di energia irradiata dal sole è costante in qualsiasi stagione e a qualsiasi latitudine, il valore di 1350W/m2 _{indica la Costante solare. Il confronto con questo valore permette di}

valutare quantitativamente il carico energetico incidente sulla Terra.

Un'altra delle principali ragioni delle differenti condizioni climatiche riscontrabili sul nostro pianeta è il Ciclo solare, che rappresenta il percorso apparente che il Sole realizza nella volta celeste in un anno.

Le considerazioni svolte fin qui fanno comprendere meglio due aspetti fondamentali sulla necessità di controllare l'ingresso della radiazione solare all'interno degli ambienti abitati:

- quando la radiazione solare entra attraverso una finestra viene assorbita dai corpi presenti nell'ambiente e riemessa con una lunghezza d'onda da non permettere alla radiazione di uscire, con un conseguente innalzamento della temperatura interna; - la componente visibile della radiazione solare può essere responsabile dei fenomeni di abbagliamento e del decadimento dei materiali fotosensibili.

Si definisce inoltre 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 (grado di copertura inferiore a 4/10), misti e coperti. Lo stato del cielo, oltre ad interferire con la radiazione solare incide anche sulla temperatura dell'aria di un luogo.

3 _{L'azimut (fig. 3.7) definisce l'angolo che il piano verticale passante per il sole forma con il} sud, cioè per il meridiano del luogo; il valore massimo dell'azimut si verifica al tramontare del sole; il valore minimo, corrispondente a 0°, si verifica invece a mezzogiorno, quando il sole attraversa il meridiano del luogo considerato. L'altezza solare (fig. 3.7) rappresenta invece l'angolo che il piano verticale passante per il sole forma con l'orizzonte; l'altezza massima si raggiunge a mezzogiorno, l'altezza minima al sorgere e al tramontare del sole. I valori di azimut e altezza solare possono essere ricavati da apposite tabelle, elaborate in base a calcoli teorici in funzione della latitudine. L’acquisizione di questi valori può essere semplificata con l'utilizzo delle carte stereometriche che permettono di derivare, per ogni latitudine, la posizione del sole, il momento del sorgere e tramontare, la durata del soleggiamento e l'inclinazione dei raggi solari alle diverse ore della giornata.

Figura 3.6 Flusso totale ricevuto da una parete (flusso diretto + flusso diffuso proveniente dal cielo + flusso diffuso proveniente dal suolo.

Figura 3.7 Schema per la determinazione dell’altezza solare e dell’azimut

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La radiazione solare è determinante nell’individuazione e valutazione della trasmissione di calore per irraggiamento e convezione attraverso l’involucro. Come si vedrà in seguito, è inoltre quel fattore determinante per la formazione dell’effetto serra all’interno dell’intercapedine.

Gli elementi che descrivono il moto ventoso sono la direzione di provenienza, la velocità e la frequenza. La direzione, generalmente si misura in gradi assumendo come zero di riferimento la direzione nord e contando in senso orario; la velocità è espressa in m/s; la frequenza in percentuale ed indica il numero di volte che il vento spira da un determinata direzione.

Il regime dei venti è primariamente generato dall'esistenza di masse d'aria a differente temperatura e pressione riscaldate per effetto della radiazione solare. Le masse di aria calda si muovono verso l'alto; questo movimento provoca una depressione che viene equilibrata dallo spostamento di masse di aria più fredda, producendo la formazione del vento. Lo stesso comportamento si ottiene all’interno di un intercapedine in presenza di riscontro d’aria. Alcuni studi sperimentali hanno dimostrato che il vento influisce significativamente sulla ventilazione dell’intercapedine, se correttamente progettata ed orientata rispetto alla direzione dei venti principali (vedi capitolo 6): un limite a tale correlazione è rappresentato dalla non uniformità del vento alle basse latitudini4 _{e dalla presenza di edifici}

nell’immediato intorno.

Alle quote inferiori tali valori si modificano sensibilmente in funzione delle caratteristiche dell'immediato intorno. Il vento influenza gli altri parametri del clima, in particolare la temperatura e l'umidità relativa esterne.

Per precipitazione meteorica si intende qualsiasi stato fisico dell`acqua che raggiunge la superficie terrestre; sono quindi precipitazioni meteoriche la pioggia, la neve e la grandine. l parametri che connotano le precipitazioni sono la quantità e la frequenza. La quantità è espressa in mm (pioggia) o cm (neve) di spessore. La frequenza, invece, rappresenta il numero dei giorni in cui si verifica la precipitazione all'interno di un certo intervallo temporale prescelto.

Le precipitazioni meteoriche costituiscono un fattore difficilmente prevedibile in maniera dinamica: spesso infatti si ricorre a delle considerazioni di tipo standard, come indicato nella normativa, relative a giornata di media intensità.

Direzione ed intensità del vento assumono valori uniformi ad un’altezza di circa 400 metri di altitudine.

Venti

Precipitazioni meteoriche

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L'asse della Terra non è perpendicolare al piano dell'orbita ma inclinato rispetto a quest'ultimo in modo da formare un angolo di 66,5°. Durante il moto di rivoluzione terrestre l'asse della Terra si mantiene sempre parallelo a se stesso. Le conseguenze più evidenti di questa situazione sono:

- l’alternarsi delle stagioni;

- la differente altezza del sole sull'orizzonte;

- la diversa durata tra il periodo di luce legato al giorno solare e quello sidereo. L'angolo verticale con cui i raggi del sole colpiscono la superficie terrestre si chiama angolo di altitudine ed è direttamente correlato alla latitudine geografica. Il caso più particolare per calcolare quest'angolo si verifica a mezzogiorno del giorno degli equinozi, quando cioè i raggi del sole sono perpendicolari all'equatore. L'angolo con cui i raggi del Sole incidono sulla Terra determina due importanti conseguenze sul soleggiamento: nel caso di angoli bassi di altitudine i raggi del Sole attraversano più facilmente l'atmosfera e di conseguenza la radiazione che colpisce la superficie sarà notevolmente diversa.

La localizzazione e l'orientamento di un edificio sono fattori da considerare con attenzione per una progettazione insediativa volta al controllo dell’esposizione solare estiva ed invernale.

È possibile raggiungere tali intenti analizzando le ipotesi progettuali localizzative e tipologiche in rapporto al contesto ambientale specifico e, in particolare, alle variabili solari locali. A questo proposito vengono in aiuto tabelle di riferimento (tab. 3.1) che raccolgono, in maniera semplificata, l'esposizione consigliata e l'individuazione delle destinazioni d'uso dei singoli ambienti che caratterizzano un complesso edilizio.

Ambiente N NE E SE S SO O NO Camera da letto √ √ √ √ √ √ Soggiorno √ √ √ Pranzo √ √ √ √ √ Cucina √ √ √ √ Ripostiglio √ √ √ Garage √ √ √ Veranda √ √ √ √

Tab. 3.1 – Indicazioni di carattere generale utili per un’analisi delle migliori esposizioni per gli ambienti aventi determinate destinazioni d’uso.

Alcune procedure di calcolo del fabbisogno, in relazione all’esposizione, si basano sulla suddivisione dell'edificio in zone climatiche distinte: sostanzialmente zone più calde e più fredde. Attraverso l'orientamento del fabbricato in direzione est-ovest, si favorisce lo sfruttamento passivo dell'energia solare, senza l'utilizzo di sistemi

Stagioni

Ore del giorno

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meccanici di trasformazione dell'energia radiante solare, attraverso l’impiego di serre solari. In generale una rotazione fino a 15 gradi dell'edificio dal sud geografico non comporta sensibili riduzioni nel guadagno termico. Questo significa, principalmente, lasciar entrare la radiazione solare durante l'inverno ed escluderla durante l'estate. D'inverno, quando il sole è basso nel cielo, i raggi penetrano nelle aperture della facciata sud e riscaldano naturalmente gli ambienti. Durante le ore di luce il calore viene accumulato per inerzia termica o per effetto serra (vedi paragrafi 4.2.8 e 4.2.3) dell’involucro. Il calore immagazzinato continuerà ad irradiare nello spazio interno anche dopo il tramonto.

Ecco perché la prassi costruttiva vuole che le parti a sud siano in grado di sfruttare e controllare la radiazione solare mentre il lato nord, che costituisce un elemento di dispersione termica, presenti livelli prestazionali di isolamento termico più elevati. Le finestre ad ovest possono essere protette con schermature verticali, per impedire in estate l'ingresso di radiazioni solari nelle ore più calde.

Allo studio dell'orientamento dell'edificio, in relazione all'evoluzione del sole nell'arco della giornata, è assolutamente necessario affiancare l'analisi dell'ombreggiatura da parte di altri edifici ed elementi paesaggistici (alberi, costruito), nonché le verifiche delle ombre generate dall'edificio stesso. A tal proposito si rimanda ad una trattazione specifica al paragrafo 4.2.7.

L'ombreggiatura di un'area può essere determinata disegnando l'orizzonte locale nel diagramma solare. L'orizzonte si misura solitamente usando un teodolite. Il primo permette una lettura diretta dell'orizzonte sullo schermo dell'apparecchio, mentre con il secondo si deve stabilire, per ogni singolo punto dell'orizzonte, l'angolo azimutale e l'angolo d'altezza.

Nella progettazione degli involucri evoluti a comportamento dinamico, lo studio del contesto macroclimatico è significativo per l’individuazione e valutazione di parametri utili alla progettazione dell’involucro stesso. Sono riportati di seguito, le modalità e gli elementi che correlano i fattori ai parametri e alla progettazione.

Per quanto riguarda la radiazione, si deve sottolineare l’andamento ciclico dell’intensità radiativa che colpisce l’involucro, ma che è spesso condizionata dalle condizioni meteorologiche. L’irradiazione solare giornaliera media mensile è un valore utile per le considerazioni relative alla potenza termica per irraggiamento, alla creazione dell’effetto serra e dell’effetto camino.

Anche la componente del vento potrebbe influire, positivamente o negativamente a seconda delle stagioni, nel bilancio termico di un involucro: in estate, ad esempio, costituisce un guadagno gratuito per la ventilazione dell’aria di intercapedine o per la

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temperatura superficiale della pelle esterna. In inverno invece, in un clima come quello della Pianura Padana, potrebbe svolgere un ruolo significativo nella regolazione dell’umidità relativa esterna.

Nelle due stagioni di maggiore crisi per la progettazione di un involucro, l’inverno e l’estate, la normativa considera solo ed esclusivamente i carichi di picco dell’irraggiamento solare nella condizione più estrema e sfavorevole. La complessità di un calcolo più veritiero e coerente con il reale comportamento dell’alternarsi delle stagioni, dei mesi e delle ore del giorno ha indotto ad una semplificazione nella valutazione delle prestazioni degli involucri. La norma limita la verifica del comportamento termo – igrometrico delle due pelli a due giorni specifici: il 21 dicembre e il 21 luglio, cioè nei due solstizi d’estate e d’inverno. Risulta piuttosto chiaro come un alternarsi così complesso di irraggiamento solare, venti, stagioni, ore del giorno ed orientamento non possa essere risolto efficacemente attraverso l’analisi di soli due giorni. Di seguito si tenterà di fornire elementi di possibile discussione in merito a tale problema.