4.1.3 Tipologie di facciata
4.2 Fenomeni fisici correlat
4.2.7 Ombreggiamento e protezione solare
La collocazione di sistemi di schermatura solare ha un influsso determinante sul consumo energetico degli edifici, indipendentemente dal coefficiente d'isolamento termico di una facciata trasparente. In edifici con involucri tradizionali esposti ad est o ovest, le verifiche svolte hanno dimostrato che il consumo di energia per il raffreddamento può essere dimezzato quando sono impiegati sistemi schermanti, rispetto ad una facciata di vetro senza elementi di protezione solare.
Come già descritto nel capitolo terzo, l’effetto di protezione solare delle schermature installate sull’involucro rappresenta il fattore di diminuzione16 e indica la percentuale
16 Altro parametro significativo è il fattore di ombreggiamento Fs che rappresenta la riduzione della radiazione solare incidente dovuta all’ombreggiamento sull’elemento vetrato e viene calcolato per definire l’efficacia di schermature di tipo fisso, come l’orografia del terreno, edifici o vegetazione presente sul sito, elementi facenti parte della struttura dell’edificio in esame (per esempio gli aggetti verticali o orizzontali). Questo fattore ha valori compresi tra 0 e 1 e può essere determinato per ciascun mese dell’anno, secondo le indicazioni della norma Uni/Ts 11300-1, come prodotto dei coefficienti di ombreggiamento relativi alle ostruzioni esterne, agli aggetti verticali e a quelli orizzontali, desunti, in funzione della latitudine, l’orientamento e l’angolo di vista, dalle tabelle riportate nella norma stessa.
Parte seconda – Involucro evoluto a comportamento dinamico
174
Giulia Archetti – Facoltà di Architettura di Ferrara
di energia radiante incidente che passa attraverso un elemento schermante: tale valore dipende dall'angolo di inclinazione solare rispetto a quello della schermatura e produce informazioni relative al guadagno energetico in un ambiente dipendente dall'incidenza dei raggi solari.
Durante i periodi caldi dell'anno, diversi sono i fattori che concorrono a creare condizioni ambientali non confortevoli, tra i quali la temperatura esterna, la radiazione solare e i guadagni interni dovuti alle persone ed alle apparecchiature utilizzate negli edifici. Un sistema di schermatura consente un significativo controllo degli apporti termici dovuti alla radiazione solare incidente sia su una superficie opaca che su una trasparente.
Nei climi più caldi, quando le pareti opache non hanno isolamento termico, i sistemi di ombreggiamento possono essere concepiti per la totalità delle pareti verticali, opache e trasparenti per formare un involucro evoluto a comportamento dinamico di tipo traslucido su opaco o traslucido su trasparente. In climi temperati o freddi, i sistemi di ombreggiamento sono generalmente legati alle aperture e alle superfici vetrate.
Gli esempi di controllo del soleggiamento attraverso sistemi di ombreggiatura non mancano: tali soluzioni offrono a volte buoni compromessi tra il recupero degli apporti solari nel periodo di riscaldamento e la protezione solare nella stagione calda. In climi temperati, la captazione dell'irraggiamento solare è generalmente privilegiata, per ridurre i bisogni di riscaldamento in inverno, sempre evitando situazioni che potrebbero causare surriscaldamento.
Ma i sistemi di ombreggiamento influenzano considerevolmente l'ambiente luminoso all'interno di un edificio. Le esigenze in materia di benessere igrotermico, luminoso e di risparmio energetico, possono rivelarsi contraddittorie, il che complica l'analisi e la progettazione di questi dispositivi e obbliga a preferire un loro impiego congiunto. L’impiego di schermature interne può ridurre il consumo energetico del 20% essendo in grado di dissipare all'esterno parte della radiazione solare assorbita migliorando il grado di comfort interno sia nei mesi invernali che estivi: il tipo, la dimensione e il posizionamento di un sistema di schermatura dipendono dal tipo di radiazione solare diretta, diffusa o riflessa da schermare Gli elementi di schermatura solare sono indispensabili in tutte le tipologie edilizie per prevenire il surriscaldamento, specialmente in edifici che richiedono un alto carico di energia per il raffrescamento interno oppure in edifici per uffici con un'alta percentuale di superfici vetrate. Si possono dividere in :
Le tipologie di sistemi di protezione solare
175 dottorato di ricerca in tecnologia dell’architettura – XXII ciclo
- sistemi fissi, più frequenti, non permettono la regolazione degli elementi di ombreggiamento in funzione della posizione del sole, e dunque possono provocare disagi funzionali correlati alla schermatura, alla trasparenza e allo sfruttamento della luce diurna;
- sistemi mobili, meno economici, al contrario, consentono di adeguarsi agli spostamenti del sole durante il giorno e nel corso dell'anno, e permettono un controllo puntuale degli elementi di schermatura e di ombreggiamento oltre a garantire il massimo rendimento della luce diurna (fig. 4.26).
Gli elementi di questa tipologia possono essere posti tra due differenti superfici vetrate presentando però alcuni svantaggi quali ad esempio la trasmissione della radiazione solare all’interno dell’ambiente.
Numerosi sono però anche i vantaggi. I sistemi collocati dietro ad una lastra di vetro, e quindi più protetti da sporco e inquinamento, facilitano montaggio ed installazione permettendo l'utilizzo di elementi sensibili con superfici di riflessione in grado di guidare la luce diurna. Questo vale anche per gli involucri trasparente su trasparente dove è possibile l'installazione di più manipolatori dietro una lastra protettiva di vetro. Con elementi installati nell'intercapedine del vetro camera, la pulizia e la manutenzione comportano un dispendio ancora inferiore mentre il periodo di funzionamento risulta maggiore, vedasi per esempio i sistemi microreticolari e a prisma. Nonostante i vantaggi offerti dai sistemi di schermatura solare protetti dagli agenti atmosferici, l'opzione più vantaggiosa rimane quella degli elementi di schermatura solare esterni per l'emissione termica diretta estiva. Tuttavia, nella scelta dei componenti, rimane importante considerare le condizioni climatiche e la resistenza al vento, poiché, con elevati carichi di vento, il sistema può subire danni temporanei di diversa portata.
I sistemi in grado di fornire protezione solare possono essere progettati in maniera integrata all’edificio, senza la predisposizione di elementi progettati ad hoc.
Un esempio significativo di ricerca nell’ambito della protezione solare, ma anche come soluzione formale architettonica, è rappresentata, dal recupero della Dansk Sojakage Fabrik, fabbrica di soia dismessa nel 1992, che con i suoi tre silos domina l’orizzonte dell'imbarcadero d'Islanda, a Copenaghen. Dei tre, il più suggestivo è appunto il Frosilos (silos per i cereali): due cilindri distanti tra di loro 1,60 m,in calcestruzzo armato, di 25 m di diametro e 40 m di altezza vuoti senza copertura. Su progetto dello studio olandese MVRDV e dello studio danese W Arkitekter, questi silos sono stati riconvertiti in 841 loft (da 90 a 200 m2) con un forte segno
architettonico.
Figura 4.26 Sistema di protezione solare mobile.
Parte seconda – Involucro evoluto a comportamento dinamico
176
Giulia Archetti – Facoltà di Architettura di Ferrara
Le vetrate degli alloggi sono a tutta altezza, garantendo la completa permeabilità interno-esterno. Esse sono realizzate con serramenti in alluminio a taglio termico e vetro camera con trattamento per il controllo solare. In tal modo le abitazioni possono godere completamente della vista panoramica e usufruire dell'irraggiamento invernale, mentre le balconate schermano la radiazione diretta del sole estivo.
4.2.8 Inerzia termica
Il termine inerzia termica definisce il comportamento degli edifici in un contesto di regime termico variabile, cioè quando gli scambi di calore sono variabili. Questa variabilità è determinata dalle fluttuazioni:
- della temperatura esterna (nel corso della giornata);
- della temperatura interna (apertura o chiusura delle finestre); - della temperatura di regime interna;
- degli apporti interni (fonti di calore o luce quali apparecchiature elettriche); - dall'irraggiamento (variazione giorno-notte e posizione del sole, periodi di
nuvolosità passeggera).
Per semplicità si possono considerare le oscillazioni diurne nell'arco di uno stato medio più o meno stazionario (dato che esistono anche variazioni da giorno a gior- no). L'inerzia termica descrive la reazione alle oscillazioni dello scambio di calore della temperatura media diurna dell'interno dell'edificio:
- più l'inerzia termica è forte, più l'interno resterà vicino allo stato stazionario determinato da questa media;
- più l'inerzia termica è debole, più l'interno varierà con le variazioni degli scambi.
L'inerzia termica dipende dai materiali impiegati e dalla stratificazione dell’involucro: i rivestimenti deboli in PVC o i pavimenti in piastrelle praticamente non impediscono questo contatto, perché non hanno capacità termica. AI contrario un muro spesso con elevata densità impedisce il flusso tra l'ambiente interno e i muri o i solai.
Esistono due tipi di inerzia:
- l'inerzia per trasmissione, che descrive in quale misura una parete dell'involucro diminuisce l'ampiezza di una oscillazione della temperatura esterna e il ritardo di fase nella trasmissione verso l'interno17;
17 “Queste inerzia dipende principalmente dal valore di diffusività (λ/Cpρ) del materiale della
parete e dal suo spessore, sapendo che λ: conduttività termica (in W/m°C); Cp: calore specifico (in J/kg°C); ρ: densità (in kg/m3).
La maggior parte dei materiali da costruzione ha valori di diffusività che variano da circa 4 a 8·10-7 m2/s. Il legno e i suoi derivati hanno una diffusività di circa 2x10-7 m2/s. Gli isolanti
177 dottorato di ricerca in tecnologia dell’architettura – XXII ciclo
- l'inerzia per assorbimento che descrive la temperatura della faccia di una parete interna, in contatto con l'aria del locale, reagente a una oscillazione di scambio di calore interno18.
Dato che una gran parte degli scambi di calore interessa l'interno di un edificio attraverso le aperture o le bocche di ventilazione e non le chiusure opache, è importante distinguere tra inerzia per trasmissione e inerzia per assorbimento
In generale, l'inerzia per assorbimento permette di ridurre il surriscaldamento in estate ed evitare o diminuire i bisogni di raffrescamento e di beneficiare degli apporti solari in inverno, soprattutto in caso di continua presenza di utenti nell’edificio, quali ad esempio quelli a destinazione d’uso specialistica ospedaliera o scolastica. Alcuni requisiti appaiono difficilmente conciliabili:
- requisiti di risparmio energetico e requisiti di comfort estivo, per gli edifici a utilizzo intermittente;
- requisiti legati ad alcune soluzioni acustiche e requisiti di comfort estivo. Per esempio, la correzione acustica che miri alla diminuzione del tempo di riverbero aumenta le superfici assorbenti acusticamente attraverso materiali leggeri che diminuiscono l’inerzia di assorbimento. L'isolamento dai rumori aerei o dai rumori di impatto si effettua spesso attraverso pannelli isolanti o resilienti disposti nelle murature perimetrali del locale, che diminuiscono in uguale modo anche l'inerzia di assorbimento.
L'inerzia di trasmissione aumenta con lo spessore e diminuisce con la diffusività della parete. Le pareti opache di spessore superiore a 100 mm possono essere considerate come inerti dal punto di vista della trasmissione dell'oscillazione diurna. Una situazione interessante si ottiene con uno spessore di circa 300 mm, in modo che la trasmissione attenuata dall'oscillazione esterna sia ritardata all'incirca di dodici ore e i picchi del flusso di mezzogiorno compaiano all’interno soltanto a mezzanotte”. Faragò, F., Manuale pratico di edilizia sostenibile, Esselibri – Simone, Napoli 2008
18 “Più una parete è inerte, più l'oscillazione della temperatura di questa faccia è debole e più
la capacità di assorbimento di scambio energetico della parete è grande. Queste inerzia dipende dal valore dell'effusività della parete (λ·Cp·ρ)1/2 del materiale e dallo spessore di
parete disponibile in rapporto agli spazi intorno; in questo modo un solaio che separa due locali non viene contato in ogni locale se non per il suo mezzo spessore. L'effusività è dello stesso ordine di grandezza per la maggior parte dei materiali da costruzione in muratura, 2.000 J/m2·°C·s1/2; per il legno e i suoi derivati, circa 400 J/m2·°C·s1/2; per gli isolanti termici,
40 J/m2 ·°C·s1/2.
L'inerzia per assorbimento aumenta con lo spessore e con l'effusività della parete. Così le pareti inerti, dal punto di vista dell'assorbimento, sono quelle in calcestruzzo e muratura pesante con uno spessore superiore a 50 mm. Esse raggiungono il massimo della loro effica- cia nell'attenuazione dell'effetto di una oscillazione diurna con uno spessore disponibile dell'ordine di 100 mm”. Faragò, F., Manuale pratico di edilizia sostenibile, Esselibri – Simone,
Napoli 2008.
Effetti dell’inerzia
Parte seconda – Involucro evoluto a comportamento dinamico
178
Giulia Archetti – Facoltà di Architettura di Ferrara
4.2.9 Controllo della condensa interstiziale
Come descritto nel paragrafo 4.2.5, numerose sono le funzioni della camera di ventilazione: è però possibile che in presenza di un clima freddo questo fenomeno causa la formazione di condensa nella parte posteriore del rivestimento; in presenza di un clima caldo il movimento dell’aria raffredda gli strati interni della costruzione determinando un notevole risparmio energetico.
La condensazione del vapore contenuto nell'aria può avvenire sia sulla superficie interna della parete provocando danneggiamenti degli strati superficiali di finitura con formazione di depositi di polvere sia all'interno della parete stessa, degradando le caratteristiche di isolamento dei materiali interessati. Nel caso non sia possibile evitare la formazione del vapore d’acqua, occorre verificare che la quantità di condensa all’interno di una parete durante l'inverno sia contenuta entro limiti tali da non compromettere la resistenza termica minima prevista per la parete e che in ogni caso possa essere interamente evaporata durante la stagione estiva19.
Dalla figura 4.27 appare chiaro il vantaggio dell'utilizzo di un isolante posizionato sull'esterno della parete ai fini della eliminazione/riduzione dei fenomeni di condensa. Il vapore d’acqua presente nell’aria produce una pressione, che solitamente viene definita come
Pv ≈ W
Dove Pv è la pressione del vapore d’acqua e W è la quantità di vapore contenuta in i
m3 d’aria.
L’eccedenza del vapore presente all’interno di un ambiente in rapporto all’esterno crea un gradiente di pressione di vapore all’interno (alta pressione) verso l’esterno (bassa pressione). Questo gradiente fa migrare il vapore verso l’esterno attraverso le pareti dell’involucro.
Ogni materiale da costruzione ha una propria permeabilità al vapore; la quantità di vapore che attraversa una parete omogenea dipende principalmente dal gradiente di pressione, dalla permeabilità del materiale della parete e dallo spessore.