Capitolo 8CONSIDERAZIONI SUI VANTAGGI DELLE PARETI VERDI NELLA PROPOSTA DI PROGETTO

Capitolo 8

CONSIDERAZIONI SUI VANTAGGI DELLE PARETI VERDI NELLA

PROPOSTA DI PROGETTO

8.1. APPLICAZIONE DI UN MODELLO SVILUPPATO DA ENEA E D.E.S.TeC.

DELL’UNIVERSITA’ DI PISA E OSSERVAZIONI GENERALI

Al fine di comprendere gli effetti che il sistema di verde verticale adottato genererebbe sul progetto proposto, in termini puramente ipotetici, data l’impraticabilità di una sperimentazione in situ con la raccolta di dati climatici (requisito essenziale in tutti gli studi esaminati nei capitoli precedenti) sulla base dei quali avanzare conclusioni più precise, è stata condotta un’applicazione su un modello sviluppato dall‘ENEA (Agenzia Nazionale per l’Efficienza Energetica).

Per risolvere il problema dovuto alla mancanza dei suddetti dati sono stati estrapolati risultati sulla base delle analogie di progetto tra il caso in esame e quelli degli articoli scientifici analizzati, in modo da poterli utilizzare nello sviluppo del modello.

Quest’ultimo è il prodotto conseguente ad una sperimentazione nata nel 2013 dalla collaborazione tra un team di ricercatori ENEA

(

C.A.Campiotti, R.Di Bonito, G.Giagnacovo, R.Colletta, M. Scoccianti, C. Viola) e il D.E.S.TeC. dell’Università di Pisa, nell’ambito di un contratto di ricerca recentemente conclusosi. L’oggetto del contratto era di proporre una simulazione di comportamento energetico di un edificio tipo, mediante l’applicazione del software simulativo EnergyPlus (programma di simulazione energetica degli edifici), con l’impiego delle coperture/ pareti verdi (“schermature solari ad elevato contenuto tecnologico”), al fine di aumentare l’efficienza energetica degli edifici e conseguire un risparmio di energia elettrica nel settore civile, industriale e dei servizi. Il contratto si prefiggeva inoltre la validazione di modelli di simulazione semplificati per il bilancio energetico in riferimento alla realizzazione di interventi di efficienza energetica mediante coltri vegetali sul patrimonio immobiliare pubblico.

Per stabilire l’effettivo peso di questi vantaggi, i risultati sono stati confrontati con quelli relativi alle pareti multistrato prefabbricate prive del sistema living wall.

Il lavoro è stato suddiviso in varie fasi e sotto-fasi:

• Identificazione di un edificio-tipo e dei sistemi di coperture verdi e pareti verdi.

-

Identificazione dei parametri fisico-tecnici delle specie vegetali utilizzate per la realizzazione di tetti e pareti verdi nelle regioni mediterranee, per la realizzazione di un data-base specifico per il

-

Preparazione di un data-base climatico per le regioni del mediterraneo per il software EnergyPlus.

-

Descrizione dell’edificio-tipo per la simulazione tramite software EnergyPlus.

• Simulazione del comportamento energetico del fabbricato-tipo in assenza/presenza di tetto/parete verde.

-

Simulazione del comportamento energetico del fabbricato in assenza/presenza di tetto/parete verde tramite software EnergyPlus.

-

Validazione di modelli di simulazione semplificati per il bilancio energetico tramite confronto con la simulazione di cui al punto sopra.

• Simulazione del comportamento energetico del fabbricato-tipo in assenza/presenza di tetto/parete verde in aree climatiche differenti.

-

Simulazione del comportamento energetico del fabbricato in assenza/presenza di tetto/parete verde tramite software EnergyPlus in relazione alle aree climatiche del territorio italiano.

-

Validazione di modelli di simulazione semplificati per il bilancio energetico tramite confronto con le simulazioni di cui al punto sopra.

• Studio delle relazioni tra gli edifici dotati di coltri vegetali e il fenomeno UHI.

-

Simulazione del comportamento energetico del fabbricato in assenza/presenza di tetto/parete verde tramite software EnergyPlus rispetto a un’area industriale, un semi-centro urbano, un edificio pubblico in area pubblica.

-

Validazione di modelli di simulazione semplificati per il bilancio energetico tramite confronto con le simulazioni di cui al punto sopra, in particolare per quanto riguarda i “Poleotopes” (clima cittadino).

Sono riportate di seguito le tipologie di edificio, classificate sulla base degli aspetti relativi al fabbisogno energetico:

• ad alta dispersione termica: sono i fabbricati realizzati in passato, precedentemente alle indicazioni ed ai limiti riguardanti la coibentazione e che hanno di conseguenza un alto fabbisogno energetico;

• a bassa dispersione termica: rientrano in tale categoria le strutture costruite seguendo le prescrizioni della legge n. 373/1976 e seguente legge n. 10/1991, che indicavano precisi criteri in materia di coibentazione e rendimenti minimi degli impianti termici;

• a basso consumo energetico: edifici ancora poco diffusi, ma che, in futuro, saranno oggetto di una crescente evoluzione; sono dotati di sistemi solari attivi e impiantistica evoluta che comporta un notevole risparmio energetico (65 kWh per m2_);

• passivi: hanno un fabbisogno di energia primaria per il riscaldamento ridotto rispetto alla precedente categoria. Lo standard che prevede un fabbisogno energetico residuo minore di 15 kWh/m2 _{è ottenibile orientando gli edifici verso sud, garantendo un particolare} rapporto tra superficie dell’involucro e volumetria (<0,6), prevedendo un valido isolamento termico dell’involucro (U<0,15 W/m2_{k), accertando un’alta impermeabilità} dell’involucro edilizio, istallando finestre con vetri e telai altamente isolanti (U<0,8W/m2_K) e riducendo al minimo le perdite dovute alla ventilazione con recupero di calore (>80%) dell’aria uscente;

• edifici energeticamente autonomi: con consumo energetico pari a zero attraverso l’utilizzo di fonti rinnovabili e tecnologie costruttive d’avanguardia.

La ricerca ha previsto un sistema sperimentale da installare su un edificio prototipo con l’obiettivo di valutare il microclima delle coltri vegetali su parete, attraverso un sistema di monitoraggio microclimatico per misurare le seguenti grandezze:

• radiazione solare totale;

• banda di radiazioni fotosinteticamente attive, dai 400 ai 700 nm (PAR); • radiazione ultravioletta UV-A, compresa tra 400-315 nm;

• radiazione ultravioletta UV-B, compresa tra 315-280 nm; • temperatura e umidità relativa.

Per quanto riguarda i sistemi vegetali sono state valutate le seguenti misure: • evapotraspirazione con sistemi manuali costituiti da due lisimetri; • espansione fogliare (LAI-leaf area index);

• parametri inerenti l’accrescimento vegetale; • CO2 sequestrata dalle coltri vegetali; • PH, CE e consumo di nutrienti.

La sperimentazione condotta da UTEE-AGR è stata programmata in accordo con le linee di ricerca elencate nella tabella 8.1.1.

Linee di ricerca/

Area di impatto Descrizione Benefici

Riduzione dell'effetto UHI

La vegetazione raffredda gli edifici e i dintorni attraverso processi di ombreggiatura, riducendo il calore riflesso, e l'evapotraspirazione.

-Promuove i processi naturali di raffreddamento -Riduce la temperatura ambientale nelle aree urbane

-Rallenta i flussi d’aria verticale raffreddando l’ambiente.

Linee di ricerca/

Area di impatto Descrizione Benefici

Miglioramento della qualità esterna dell'aria

I sistemi vegetali contribuiscono sia alla riduzione di energia per i condizionatori d'aria e sia al controllo di emissioni industriali: ossidi di azoto (NOx), ossidi di zolfo (SOx), composti organici volatili (COV), monossido di carbonio (CO) e particolato.

-Cattura gli inquinanti nell'aria e depositi atmosferici sulle superfici delle foglie. -Filtri di gas nocivi e del particolato.

Miglioramento estetico Forniscono una variante estetica nell’ambiente in cui le persone conducono le loro attività quotidiane

-Crea interesse visivo

-Nasconde/oscura caratteristiche sgradevoli -Aumenta il valore dell’immobile

Miglioramento Efficienza Energetica

Migliora la capacità di isolamento termico attraverso la regolazione della temperatura esterna. L'entità del risparmio dipende da vari fattori quali il clima, la distanza dai lati dell’edificio, e dalla densità della copertura vegetale. Questo può incidere sia sul

raffreddamento che sul riscaldamento.

-Limita la circolazione di calore attraverso la vegetazione

-Riduce la temperatura ambientale attraverso ombreggiature e processi di evapo-traspirazione -Effetto cuscinetto contro il vento durante i mesi invernali

-Applicazioni dell'interno può ridurre l'energia associata al riscaldamento e al raffreddamento dell'aria esterna per uso interno

Protezione della Struttura dell'Edificio

Gli edifici sono esposti agli elementi atmosferici e con il passare del tempo alcuni materiali possono rovinarsi a causa della contrazione ed espansione causata dai cicli di gelo-disgelo e dall'esposizione ai raggi UV.

-Protegge le rifiniture e gli elementi delle pareti dalle radiazioni UV e dalle fluttuazioni della temperatura

-La presenza della pianta riduce l’effetto della pressione del vento sull’edificio

Miglioramento della Qualità dell'Aria Interna

Per i progetti di interni, i VGS sono in grado di filtrare l’aria contaminata da agenti nocivi che vengono rilasciati dai mobili e dai tappeti.

La filtrazione è eseguita dalle piante, e nel caso di bio-filtrazione dai micro-organismi.

-Acquisisce inquinanti nell'aria come polvere e polline

-Filtri di gas nocivi e Composti Organici Volatili (COV) dai tappeti, mobili e da altri elementi dell'edificio

Riduzione del Rumore I fattori che influenzano la riduzione del rumore sono dipendenti dalla profondità del substrato della coltivazione, dai materiali utilizzati come componenti strutturali del VGS e dalla copertura globale

I fattori che influenzano la riduzione del rumore sono dipendenti dalla profondità del substrato della coltivazione, dai materiali utilizzati come componenti strutturali del VGS e dalla copertura globale

Certificazione energetica/

TEE I VGS e GR possono contribuire all’acquisizione di certificati bianchi, o a far acquisire crediti se utilizzati con altri elementi di edilizia sostenibileI VGS e GR possono contribuire all’acquisizione di certificati bianchi, o a far acquisire crediti se utilizzati con altri elementi di edilizia sostenibile Marketing Il miglioramento dell'estetica può aiutare a far aumentare il valore dell’edificio Il miglioramento dell'estetica può aiutare a far aumentare il valore dell’edificio Biodiversità I sistemi vegetali contribuiscono a mantenere e/o ricreare la biodiversità sia animale sia

vegetale negli ambienti urbani

I sistemi vegetali contribuiscono a mantenere e/o ricreare la biodiversità sia animale sia vegetale negli ambienti urbani

Tab. 8.1.1: linee di ricerca/impatto associati alla realizzazione di sistemi VGS-GR.

Alla base del fenomeno di propagazione del calore esistono le tre note tipologie di scambio, ossia la conduzione, la convenzione e l’irraggiamento. Tali meccanismi riferiti all’involucro edilizio concorrono nello scambio termico che, in generale, per semplicità, viene ipotizzato stazionario o per successione di condizioni stazionarie. Viene considerato lo scambio di calore combinato dei meccanismi di convezione ed irraggiamento verso la superficie dell’edificio, ricorrendo ad una equazione unica:

q

= q

c

+ q

rad

= h

c

⋅ A⋅ T

(

s

− T

air

)

+ h

r

⋅ A⋅ T

s

4

− T

surr

4

(

)

= h

e

⋅ A⋅ T

(

s

− T

0

)

= h

e

⋅ A⋅ T

(

s

− T

air

)

+ A⋅ Δq

Il valore di he assume i seguenti valori:

- 25 W/m2_{°K per scambi di pareti verticali verso l’esterno dell’edificio;} - 8,3 W/m2_{°K per scambi di pareti verticali verso l’interno dell’edificio;} - 8,3 W/m2_{°K per scambi di pareti orizzontali verso l’alto;}

- 6 W/m2_{°K per scambi di pareti orizzontali verso il basso.}

Supponendo di condurre un confronto fra due porzioni di parete di tamponamento, una dotata di living wall installato su pannelli in calcestruzzo prefabbricato e l’altra costituita soltanto da quest’ultima tecnologia e quindi sprovvista di rivestimento vegetale (condizioni entrambe presenti nel progetto), è possibile condurre una prima valutazione in termini di flusso termico attraverso i due differenti setti, considerando le differenti temperature superficiali esterne.

In merito ai valori di temperatura necessari a tale valutazione è stato fatto riferimento ai risultati ottenuti dalle misurazioni condotte nel 2009 su una parete vegetale installata a San Giuliano Terme (caso trattato nel paragrafo 6.2.), rappresentata in figura 8.1.1, a causa delle analogie con il caso di studio in esame. Prima fra tutte il sistema verde appartiene alla categoria dei living wall, in accordo con la tecnologia adottata; secondariamente la parete sulla quale era stato installato il sistema verde era in calcestruzzo. Inoltre confrontando la posizione geografica di Empoli con quella del Comune pisano è possibile notare che la latitudine è pressoché la medesima (fig. 8.1.2); la distanza in linea d’aria è di circa 40 km, quindi, sulla base di tali considerazioni i dati di temperatura possono ritenersi validi per una valutazione nel nostro sito di progetto. La parete vegetale analizzata nel 2009 era orientata ad Est, perciò le valutazioni trasferite sul caso di studio saranno dirette sul prospetto caratterizzato da tale orientamento, quindi sulla parete vegetale che si affaccia sulla corte interna, appartenente all’edificio perimetrale collocato lungo via Curtatone e Montanara, che, oltretutto, ha l’estensione maggiore rispetto agli altri prospetti, ospitando una superficie verde di 630 mq che rappresenta esattamente 1/3 del totale dell’area rivestita con i pannelli vegetali.

Ts: temperatura sulla superficie

Tair: temperatura dell’aria a distanza sufficiente

dalla superficie

Tsurr: temperatura dell’ambiente circostante

distante che racchiude l’edificio in Kelvin (in genere Tsurr=Ts per le superfici verticali e

Tsurr=Ts - 4°K per superfici orizzontali)

he= hc+hr: coefficiente combinato di

trasferimento netto del flusso di calore T0=(hcTair+hrTsurr)/he

Δq: termine correttivo di potenza termica necessario nel bilancio termico se Tsurr≠Tair

A: ampiezza dell’area attraverso cui si scambia calore per irraggiamento［m2_］

Fig. 8.1.1: il living wall installato a San Giuliano Terme (PI) nel 2009.

Fig. 8.1.2: confronto tra la posizione geografica di Empoli e di San Giuliano Terme.

I dati di temperatura si riferiscono a misurazioni effettuate il 12 settembre 2009 (fig. 8.1.3), frutto di un’indagine di raccolta di dati protrattasi dal 5 settembre al 2 ottobre.

È stato preso in esame il periodo della giornata caratterizzato dal massimo fenomeno dell’irraggiamento, che corrisponde alle 12:00: a tale ora la temperatura sulla superficie esterna della parete non rivestita corrisponde al valore di picco, pari a 34°C, mentre in caso di rivestimento vegetale tale grandezza è ben più bassa, risultando pari a 22°C. Da indagini su vari siti internet dotati di archivi con informazioni climatiche è stato riscontrato che la temperatura massima nel giorno e Comune in esame risultava pari a 28°C.

Sulla base di queste grandezze, tuttavia, non è possibile calcolare il flusso termico e condurre un confronto, data l’impossibilità di considerare gli effetti evapotraspirativo e di schermatura (rappresentato dal termine Δq, che il modello non spiega come quantificare). I suddetti fenomeni sono quelli che consentono fisicamente alla superficie esterna di essere alla temperatura di 22°C, inferiore si alla temperatura esterna (28°C), sia alla temperatura dell’ambiente interno, che può essere valutata pari a 25°C in estate.

Fig. 8.1.3: temperature superficiali misurate il 12 settembre 2009 nello studio condotto a San Giuliano Terme (blu: temp. sup. esterna senza rivestimento vegetale; rosso: temp. sup. esterna con rivestimento vegetale; verde: temp. sup. interna senza rivestimento vegetale; viola: temp. sup. Interna con rivestimento vegetale; giallo: irraggiamento).

Possiamo però dedurre che a causa della minore temperatura della parete esterna nel caso di living wall, il flusso termico abbia senso inverso rispetto al caso di parete nuda, risultando quindi uscente e comportando conseguentemente una decisa riduzione dell’energia termica entrante, aspetto sicuramente positivo poiché comporta una riduzione del carico di condizionamento e quindi un risparmio energetico.

Come noto infatti, il “motore” che sta alla base della generazione del flusso termico è la differenza di temperatura che, nel caso in cui sia presente un living wall, assume un valore negativo, dovuto al fatto che la vegetazione comporta un abbattimento della temperatura superficiale esterna, inferiore a quella dell’aria stessa. Il flusso termico di conseguenza risulta uscente dall’ambiente interno, con tutti i vantaggi che ciò genera nelle calde giornate estive.

Nel caso in cui si volesse ottenere un bilancio energetico completo sulla superficie, che riporti lo scambio combinato di calore e consideri l’effetto dell’irraggiamento solare G, si fa riferimento alla relazione:

q

= h

e

⋅ A⋅ T

(

s

− T

air

)

+ A⋅ Δq −

α ⋅ A⋅G

Nell’ipotesi che la potenza termica q possa esprimersi come:

q

= h

e

⋅ A⋅ T

(

s

− T

soil−air

)

dove Tsoil-air è una temperatura fittizia o equivalente dell’aria tale da produrre gli stessi effetti globali di scambio di calore con la superficie di area A, otteniamo:

h

e

⋅ A⋅ T

(

s

− T

soil−air

)

= h

e

⋅ A⋅ T

(

s

− T

air

)

+ A⋅ Δq −

α ⋅ A⋅G

da cui si ricava:

T

soil−air

= T

air

+ α ⋅

G

h

e

− Δ

q

h

e

Il calcolo della radiazione solare gioca un ruolo di fondamentale importanza nella progettazione del verde verticale e per tale motivo risulta necessario stimarne l’intensità in relazione alla posizione di un determinato sito; per compiere tale operazione si ricorre all’utilizzo di modelli approssimativi basati su concetti astronomici.

La posizione del Sole nella volta celeste, riferita ad una determinata località, si valuta attraverso l’utilizzo dei seguenti angoli caratteristici:

• azimut solare a: angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale dei raggi solari e la direzione sud; si considera positivo se la proiezione cade in direzione Est (prima del mezzogiorno solare), negativo se cade verso Ovest (dopo mezzogiorno);

• altezza o altitudine solare α: angolo formato tra la direzione dei raggi solari e il piano orizzontale;

• angolo zenitale z: angolo formato tra i raggi solari e la direzione dello zenit (è complementare ad α);

• la latitudine L: angolo che la retta passante per la località considerata ed il centro della Terra forma col piano dell’equatore (positiva nell’emisfero settentrionale, negativa in quello meridionale);

• declinazione solare δ: angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno, sul meridiano considerato, col piano equatoriale; risulta anche pari all’angolo che i raggi solari formano a mezzogiorno con la direzione dello Zenit sull’equatore e coincide inoltre

α: coeff. di assorbimento (per la radiazione solare) della superficie

G: radiazione globale incidente sulla superficie (negativa in quanto entrante)

con la latitudine geografica alla quale, in un determinato giorno dell’anno, il Sole a mezzogiorno sta sullo Zenit; è positiva quando il Sole sta al di sopra del piano equatoriale ed è negativa quando il Sole è al di sotto di esso. Secondo la formula approssimata di Cooper possiamo valutare la declinazione solare come:

δ = 23,45 ⋅ sen 360 ⋅

284

+ n

365

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

• angolo orario h: distanza angolare tra il Sole e la sua posizione a mezzogiorno lungo la sua traiettoria apparente sulla volta celeste; è anche pari all’angolo di cui deve ruotare la Terra affinché il Sole si porti sopra il meridiano locale. Tale angolo è nullo a mezzogiorno, positivo nelle ore antimeridiane e negativo nelle ore pomeridiane. Esso risulta pari al numero di ore di distanza dal mezzogiorno moltiplicato per 15 (poiché la terra ruota di 15 gradi all’ora alla velocità nominale di 30 gradi al giorno). L’angolo orario relativo all’alba ha o al tramonto ht può essere calcolato in questo modo:

h

a

= −h

t

= ar cos −tgL ⋅tgδ

(

)

Prendendo in considerazione le informazioni relative alla località di Empoli, basati però sulla data (12/09/2009 - 255° giorno dell’anno) e sull’orario di rilevazione dei dati riferiti all’esperienza di San Giuliano Terme in merito alle temperature (12:00), si ottiene:

• a= 152,82° • α = 47,22° • z = 90° - 47,22° = 42,78° • L = 43,72° • δ = 23,45・sen[360・(284+255)/365] = 3,42° • h = 0°

Fig. 8.1.4: diagramma solare relativo ad Empoli (tratto da sunearthtools.com).

Si definisce costante solare Ics l’energia media irraggiata dal Sole nell’unità di tempo su una superficie unitaria posta esternamente all’atmosfera terrestre ed orientata perpendicolarmente ai raggi solari. Basandosi sull’ipotesi che il comportamento del Sole al fine dell’irraggiamento sia tale e quale a quello di un corpo nero a temperatura uniforme e ricorrendo alla legge di Stefan-Boltzmann, è possibile la valutazione della temperatura del corpo nero equivalente. La forma ellittica dell’orbita terrestre attorno al Sole comporta una variazione della distanza Terra-Sole e una conseguente differenza dell’energia emessa dalla stella. Infatti durante l’anno si assiste ad una variazione dell’irraggiamento extraterrestre del ±3,3%, grandezza calcolabile attraverso la formula:

I

o

(t)

= I

cs

⋅ 1+ 0,033⋅cos

2πn(t)

365

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

I

o

(t)

= 1367

W

m

2

⋅ 1+ 0,033⋅cos

2π ⋅255

365

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

 1412

W

m

2

La presenza dell’atmosfera e dei suoi componenti costituisce una barriera nei confronti dell’energia solare e ciò comporta una riduzione della radiazione incidente sulla superficie terrestre rispetto a quella che si avrebbe su una superficie posta esternamente all’atmosfera, dovuta ai fenomeni di assorbimento e diffusione; molecole d’aria, vapor d’acqua e pulviscolo atmosferico su cui urtano le radiazioni, causano la riflessione diffusa e la deviazione dell’energia verso lo spazio esterno, mentre il fenomeno di assorbimento è dovuto alla presenza dell’ozono, dell’anidride carbonica e del vapore acqueo. La percentuale di radiazione passante, è definita radiazione diretta, se raggiunge il suolo, altrimenti radiazione diffusa, se raggiunge la Terra da tutte le direzioni; la loro somma è detta radiazione globale al suolo. Nel caso di superfici non orizzontali sarà indispensabile considerare la radiazione riflessa dal terreno e dagli oggetti circostanti sulla superficie in esame.

Per il calcolo della radiazione diretta istantanea incidente su una superficie deve considerarsi la sua orientazione, definita tramite l’angolo di inclinazione β che essa forma col piano orizzontale, variabile tra 0 e 180 (nel nostro caso, trattandosi di una superficie verticale β=90°), e l’angolo azimutale della superficie aw, cioè l’angolo che la proiezione sul piano orizzontale della normale alla superficie forma con la direzione Sud nell’emisfero settentrionale (e Nord in quello meridionale); esso è positivo, se la proiezione è rivolta verso est, e negativo, se la proiezione è rivolta verso Ovest (nel nostro caso aw=101,32°).

L’angolo che i raggi solari formano con la normale alla superficie è detto angolo di incidenza i. Definiti questi angoli possiamo scrivere l’equazione della radiazione diretta intercettata da una superficie inclinata, Gb:

G

b

= I

b

⋅

cosi

sen

α

= I

b

⋅ R

b

dove:

cosi

= cos(a − a

w

)⋅cosα ⋅ senβ + senα ⋅cosβ

=

cosi

n(t): numero progressivo del giorno dell’anno

Ib: radiazione diretta istantanea incidente sul piano orizzontale

Quindi nel nostro caso avremo:

cosi

= cos(152,82 −101,32)⋅cos(47,22)⋅ sen(90) + sen(47,22)⋅cos(90) = 0,42

R

b

= 0,58

La radiazione diretta istantanea incidente sul piano orizzontale Ib registrata a San Giuliano Terme, nel periodo a cui si riferiscono i dati di temperatura, risultava pari a 780 W/m2_{. Da ciò si} ottiene:

G

b

= 452,4

W

m

2

Per il calcolo della potenza globale istantanea incidente su una superficie con orientamento qualsiasi si sommano tre parametri: la componente diretta Gb, la componente diffusa, proveniente dalla porzione di volta celeste vista dalla superficie e la componente riflessa, riferita all’energia che il terreno e gli oggetti circostanti riflettono in direzione della superficie. La potenza solare istantanea incidente su una superficie con orientamento arbitrario, nell’ipotesi di cielo isotropo risulta:

G

= I

b

⋅ R

b

+ I

d

⋅ R

d

+ (I

b

+ I

d

)

⋅ R

r dove:

R

d

=

1+ cos

β

2

= 0,5

R

r

=

ρ

1

− cos

β

2

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ =

0,15

Considerando che all’interno della corte i principali materiali presenti sono il calcestruzzo architettonico color grigio, con coefficiente di riflessione variabile tra 0,15 e 0,40, e le assi in legno chiaro che rivestono la copertura della palestra scolastica, con coefficiente di riflessione variabile tra 0,20 e 0,40, viene assunto un valore indicativo pari a 0,3.

Id: irraggiamento diffuso sul piano orizzontale

Rd: fattore di inclinazione della radiazione diffusa

Rr: fattore di inclinazione della radiazione riflessa

ρ: coef. di riflessione del terreno, variabile tra 0,2 (erba,cemento) e 0,75 (neve)

Per la valutazione della componente diffusa della radiazione solare, parametro incognito, si è fatto riferimento alla procedura riportata nel modello per il calcolo della radiazione diffusa rispetto alla globale, riportato sulla pagina web dell’ente, secondo cui:

I

d

= K ⋅(I

b

+ I

d

)

Secondo la correlazione ENEA-SOLTERM, stabilita per l'Italia, in base alle misure della Rete attinometrica dell'ENEA:

K

= 1 - 1.165 (0.0695 + 0.8114 K

T

)

Per il calcolo di KT si è fatto riferimento alla norma UNI 8477 secondo la quale:

K

T

=

H

_h

H

h0

Il valore di Hho è stato ricavato dal Prospetto 1 della suddetta norma, facendo riferimento a Pisa (città con la medesima latitudine di Empoli) in merito al mese di settembre (28,09 MJ/m2_d). In base allo stesso criterio è stato ottenuto il valore di Hh, dall’Appendice B (16 MJ/m2d). Si ottiene quindi:

K

T

= 0,5696

da cui:

K  0,38

Noti K e Ib è stata ricavata Ib (imposta come incognita) da:

x

= K ⋅(I

b

+ x)

K: frazione della radiazione diffusa rispetto alla globale

Ib+Id: radiazione globale al suolo

KT: coefficiente di trasmissione globale al suolo

Hh: irraggiamento solare globale misurato al

suolo su una superficie orizzontale

Hh0: irraggiamento solare globale misurato al

è stato estratto il valore della radiazione diffusa:

x

= I

d

 477

W

m

2

La potenza globale istantanea G risulta quindi:

G

 880

W

m

2

Ottenuta tale grandezza sarebbe possibile calcolare il flusso termico in maniera più precisa e condurre un più efficace paragone fra le due situazioni; tuttavia, per le stesse motivazioni già citate risulta essenziale la valutazione del fenomeno evapotraspirativo e schermante, quindi valgono le stesse considerazioni in merito alla riduzione del flusso termico entrante nell’edificio nel caso di utilizzo di living wall riscontrate dai dati di temperatura.

La sperimentazione condotta dai ricercatori dell’ENEA e del D.E.S.TeC. prosegue con la trattazione del modello denominato “Green Factor”: si definisce “costante verde” o “green factor” Kvl’indice che descrive il comportamento dal punto di vista energetico delle diverse specie vegetali utilizzate per realizzare una parete verde; tale parametro, indispensabile per stimare il risparmio energetico provocato da quest’ultima, varia tra 0 (valore relativo al caso in cui le temperature superficiali siano le medesime sia in presenza che in assenza della parete verde) e 1 (valore relativo al caso in cui la temperatura superficiale della parete verde è pari a quella dell’aria). Il green factor è pari a:

K

v

=

T

_s

− T

_sv

T

s

− T

air

= 1−

τ

v

⋅

h

_e

h

e *

Con tale parametro, nota la temperatura dell’ambiente esterno e calcolata la temperatura superficiale della parete nuda, è possibile determinare la temperatura superficiale della parete dotata di sistema verde Tsv, in base alle essenze vegetali scelte:

Tair: temperatura dell’ambiente esterno

Ts: temperatura superficiale della parete nuda

Tsv: temperatura superficiale della parete con copertura verde

𝜏v:  coef. di trasmissione solare dello strato verde

he: coef. di trasmissione del calore per la superficie senza strato verde

T

sv

= T

s

− K

v

⋅ T

(

s

− T

air

)

= 1− K

(

v

)

⋅T

s

+ K

v

⋅T

air

Da tale relazione risulta che la temperatura superficiale nel caso di rivestimento vegetale è una media ponderale tra Ts e Tair; durante il periodo diurno essa risulta compresa tra la temperatura dell’ambiente esterno e la temperatura superficiale della parete nuda.

In seguito a misurazioni effettuate su varie specie vegetali sono stati ricavati determinati valori di Kv, riportati in tabella 8.1.2.

Specie vegetale esaminata Kv

Actinidia 0,36 Wisteria 0,52 Ampelopsis 0,61 Parthenocissus 0,65 Rincospermo 0,6 Hedera 0,82

Tab. 8.1.2: valori di Green Factor per differenti specie vegetali.

É stato quindi condotto un confronto tra le essenze vegetali utilizzate nel progetto di recupero ad Empoli (sempre nella parete ad est) e quelle delle quali i ricercatori ENEA hanno stabilito il valore di Kv; tale paragone è stato condotto sulla base di determinate analogie, soprattutto di carattere estetico, legate alla conformazione dello strato di foglie e della tipologia di crescita, in modo da adattare i valori del parametro suddetto al caso di studio (tab. 8.1.3).

Specie vegetale utilizzata nel progetto (parete ad est) Superficie Occupata (mq) Specie vegetale esaminata dai ricercatori

ENEA analoga

Kv

Urticacea Helxine soleirolii 79,74 Ampelopsis 0,61

Berberidaceae Berberis verruculosa 75,6 Parthenocissus 0,65

Rosaceae Cotoneaster lacteus 61,11 Actinidia 0,36

Onagraceae Fuchsia magellanica 101,7 Rincospermo 0,6

Specie vegetale utilizzata nel progetto (parete ad est) Superficie Occupata (mq) Specie vegetale esaminata dai ricercatori

ENEA analoga

Kv

Campanulaceae Campanula muralis 104,67 Wisteria 0,52

Primulaceae Lysimachia nummularia 65,25 Parthenocissus 0,65

Apocynaceae Vinca minor 70,47 Rincospermo 0,6

Tab. 8.1.3: valori di Green Factor per le differenti specie vegetali usate nel progetto in analogia con le caratteristiche delle essenze studiate dal team di ricercatori ENEA.

A questo punto è stata calcolata una media ponderata del valore di Kv in base all’estensione che le varie tipologie di pianta ricoprono sulla parete ad Est analizzata al fine di ottenere un valore rappresentativo di Kv che è risultato pari a 0,58. Sulla base di tale valore è possibile calcolare la temperatura ipotetica che interesserebbe la nostra parete vegetale:

T

sv

= 1− 0,58

(

)

⋅ 34°C + 0,58 ⋅28C°  30,5°C

Come già visto la differenza tra la temperatura della parete provvista di sistema vegetale e la parete priva di tale rivestimento comporta vantaggi di natura energetica, conseguenti all’uso di tale tecnologia. Il modello sviluppato consente di quantificare la riduzione di energia entrante nell’edificio per effetto della schermatura verde:

E

A

= U ⋅ T

(

sol−air

− T

i

)

⋅t

(senza parete verde)

E

*

A

= U ⋅ T

*

sol−air

− T

i

(

)

⋅t

(con parete verde)

Per valutare il risparmio energetico nell’intervallo t è sufficiente eseguire la differenza tra le due grandezze considerate:

E: energia entrante all’interno dell’edificio tramite l’involucro senza parete verde

E*: energia entrante all’interno dell’edificio tramite l’involucro con parete verde

Ti: temperatura della superficie interna

dell’involucro (si suppone che la temperatura interna sia regolata e quindi uguale per entrambe le situazioni)

U: coef. di trasmittanza dell’involucro

t: tempo di valutazione della differenza di energia G: radiazione solare totale mediata sull’intervallo t A: area dell’involucro interessata dallo scambio di calore

E

− E

*

A

= U ⋅ T

sol−air

− T

sol−air

*

(

)

⋅t

= U ⋅ T

air

+

α ⋅

G

h

_e

− T

air

−

τ

v

⋅

α ⋅

G

h

_e*

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⋅t

= U ⋅α ⋅

G

h

_e

⋅ 1−

τ

v

⋅

h

_e

h

_e*

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⋅t

= U ⋅ K

v

⋅α ⋅

G

h

_e

⋅t

Il coefficiente di trasmittanza termico è stato ricavato dalla scheda tecnica della parete in calcestruzzo prefabbricata utilizzata, dell’azienda PROGRESS, che per un setto di 40 cm di spessore (12 cm cls + 12 cm isolamento termico PUR + 16 cm cls) garantisce un coefficiente di trasmittanza pari a 0,22 W/m2_K.

Stabilito ciò, se utilizziamo la prima relazione, notiamo che le uniche incognite risultano essere la temperatura fittizia sole-aria nei due casi confrontati. Tali parametri possono essere valutati attraverso le formule:

T

sol−air

= T

air

+ α ⋅

G

h

e

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

= 28°C +

0,60

⋅880

W

m

2

25

W

m

2

K

⎛

⎝

⎜

⎜

⎜

⎞

⎠

⎟

⎟

⎟

= 49,1°C

per la parete non rivestita, e

T

*

sol−air

= T

air

+ α ⋅

K

_V

⋅G

h

e

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

= 28°C +

0,60

⋅0,58 ⋅880

W

m

2

25

W

m

2

K

⎛

⎝

⎜

⎜

⎜

⎞

⎠

⎟

⎟

⎟

= 40,2°C

per la parete con living wall.

Quindi considerando 1 m2 _{di parete e un intervallo temporale di 1 ora si ottiene:}

E

A

= U ⋅ T

(

sol−air

− T

i

)

⋅t = 0,22 ⋅10

−3

kW

m

2

K

⋅ 49,1°C − 25°C

(

)

⋅1h = 5,3⋅10

−3

kWh

m

2

E

*

A

= U ⋅ T

* sol−air

− T

i

(

)

⋅t = 0,22 ⋅10

−3

kW

m

2

K

⋅ 40,2°C − 25°C

(

)

⋅1h = 3,3⋅10

−3

kWh

m

2

Come è possibile notare in entrambi i casi, la quantità di energia entrante nell’ora caratterizzata dalla massima radiazione solare attraverso un metro quadrato di parete ha un valore molto basso e ciò è essenzialmente dovuto al ridotto valore della trasmittanza termica della parete su cui è installato il sistema di rivestimento vegetale, trattandosi di una tecnologia di ultima generazione, sviluppata al fine di ridurre in maniera efficace gli apporti di calore dall’esterno e, di conseguenza, di abbattere il consumo energetico legato al condizionamento.

Nonostante ciò l’effetto benefico in termini di abbattimento dell’energia entrante all’interno degli ambienti nel caso di un involucro rivestito col sistema di verde verticale è indiscutibile: essa risulta infatti inferiore del 38% e tale percentuale corrisponde esattamente al risparmio energetico dovuto al fatto che i sistemi di condizionamento non devono compensare il surplus di energia termica entrante. Il risparmio calcolato è stato valutato su un intervallo temporale di un’ora, quindi, considerando l’intera stagione di condizionamento, è possibile rendersi conto di quanto sia importante in questi termini il peso in termini energetici della tecnologia living wall. Esso oltretutto sarà maggiore all’aumentare della temperatura esterna, che in mesi come luglio e agosto, sia a San Giuliano Terme, che a Empoli, può raggiungere temperature superiori ai 28°C assunti come riferimento.

Questo risultato è paragonabile a quello valutato per un clima Mediterraneo da Alexandri e Jones (vedi paragrafo 5.1) nel loro studio condotto nel 2008 e ciò è un indizio in più che afferma come tale applicazione, seppur contraddistinta da ipotesi semplificative e fondata su dati assunti per analogia col caso di San Giuliano Terme, sia stata condotta in maniera corretta.

Il risparmio energetico sarebbe maggiormente evidente se i sistemi di verde verticale, fossero installati su pareti caratterizzate da alti valori di trasmittanza termica, come quelle di edifici ad alta dispersione termica, già citati in precedenza, caratterizzati da un alto fabbisogno energetico; il living wall diviene quindi un’alternativa tra quelle possibili, come il cappotto esterno od interno, per attenuare il problema ed al contempo garantire un risultato estetico non convenzionale anche per edifici esistenti.

Tornando al caso di studio quindi, l’utilizzo della tecnologia living wall, comporta , oltre, ai benefici in termini di prestazione energetica, anche vantaggi legati al benessere fisico e psicologico dei fruitori ed all’incremento del decoro urbano; come dimostrato nel capitolo 4, dall’analisi con le prescrizioni del Regolamento Urbanistico, l’uso delle pareti vegetali ha consentito di garantire le superfici minime previste per il verde pubblico, senza la necessità di sfruttare la superficie della corte interna, la quale è stata destinata ad una struttura utile per la collettività.

Ad essi vanno sommati i benefici in termini di miglioramento della qualità dell’aria, dovuto al processo di fotosintesi, che consuma CO2 e rilascia O2, e riducono la presenza nell’aria di particelle nocive alla salute umana, prodotte essenzialmente dal traffico automobilistico che interessa le vie che delimitano l’isolato.

Dalle analisi condotte a Genova nello studio trattato nel paragrafo 5.3 è possibile prevedere un valore di assorbimento degli ossidi di azoto (NOx) variabile tra 3.6x10-3 _kg/m2 _e 4.2x10-3 _kg/m2_{; considerando la superficie totale delle pareti vegetali, pari a 1875 m}2_{, si ottiene un} assorbimento annuo tra 6,75 kg e 7,88 kg. Per quanto riguarda la riduzione del monossido di carbonio, secondo lo stesso studio, esso è variabile tra 0,02x10-3 _kg/m2 _{e 0,03x10}-3 _kg/m2_,che corrisponde, nel nostro caso, ad un’assorbimento annuo variabile tra 0,04 kg e 0,06 kg. Tali dati sono tuttavia indicativi, poiché la capacità di assorbimento delle varie tipologie di particelle dipende dalle tipologie di essenze vegetali adottate; data la quantità di piante adottate, una stima precisa risulta altamente complicata.

Alcuni degli studi analizzati hanno inoltre confermato l’efficacia dei rivestimenti vegetali a parete in termini di protezione dell’edificio: l’involucro edilizio risulta infatti tutelato da tale tipo di tecnologia, che limita le fluttuazioni di temperatura (fig.8.1.3), causa di espansione e contrazione dei materiali da costruzione, che compromettono la durata della vita dei manufatti. La riduzione di fluttuazione è dovuta soprattutto alla presenza dello strato di aria presente tra i pannelli vegetati e la parete di supporto. Lo stesso risultato è stato osservato nell’esperimento descritto nei paragrafi 6.1 e 7.2 (fig. 8.1.5 e fig. 8.1.6)

In merito a tale aspetto il living wall assolve anche la funzione di scudo verso i raggi ultravioletti e nei confronti delle piogge acide.

Infine un’altro vantaggio dovuto alle pareti vegetali è l’isolamento acustico che, in un contesto come quello in esame, condizionato dal traffico cittadino e dal rumore conseguente, l’utilizzo di living wall può ridurre tale problema, grazie all’effetto schermante della vegetazione, che può produrre un abbattimento fino a 40 dB.

Fig. 8.1.5: differenza della fluttuazione della temperatura superficiale esterna su una parete non rivestita con sistema living wall e nel caso di utilizzo di tale tecnologia (studio trattato nel paragrafo 6.1).

Fig. 8.1.6: differenza della fluttuazione della temperatura superficiale esterna su una parete non rivestita con sistema living wall e nel caso di utilizzo di varie tipologie di verde verticale, confrontate con la fluttuazione della temperatura dell’aria (studio trattato nel paragrafo 7.2).