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2. LINEE GUIDA PER UNA PROGETTAZIONE
BLIOCLIMATICA E SOSTENIBILE
2.1. Introduzione alla bioclimatica
Il termine "architettura bioclimatica" significa progettazione in funzione di due fattori: BIO = vita e quindi attenzione alla vita, all'ambiente e al benessere umano;
CLIMA = insieme degli aspetti climatici del luogo; delle risorse rinnovabili (sole, vento acqua corrente); delle risorse fisico-ambientali del territorio (orografia, vegetazione, terreno). La bioclimatologia studia quindi le connessioni tra il clima e la vita e definisce le modalità attraverso le quali l'uomo costruisce la propria abitazione tenendo conto delle peculiarità dei vati tipi di clima che si incontrano sul pianeta. Koppen ha fondato tale disciplina all' inizio del XX sec, per spiegare le cause della distribuzione della vegetazione nelle diverse regioni della terra e V. Olgyay è stato colui che per primo (negli anni ’60) ha sviluppato l’approccio bioclimatico nell’ambito dell’architettura.
L’architettura bioclimatica consiste in soluzioni progettuali che consentono all' interno di un edificio il mantenimento di un microclima che consente il benessere psicofisico degli utenti, utilizzando il meno possibile impianti che richiedono consumi energetici da fonti non rinnovabili.
2.1.1 Evoluzione storica dell'architettura bioclimatica
Il punto di partenza è progettare secondo le condizioni climatiche del luogo, per questo motivo si guarda all'architettura spontanea per recuperare la sapienza contadina. I dammusi di Pantelleria, i sassi di Matera, i trulli della Puglia, i tapì indiani, l’architettura preindustriale e l’architettura monastica, rappresentano gli esempi più significativi di comfort indoor, in un’architettura senza impianti che sfrutta energia a costo zero da fonti rinnovabili.
La natura del terreno, l’esposizione al sole e al vento, la presenza di vegetazione, il grado di umidità sono alcuni dei fattori che hanno condizionato gli insediamenti in ogni tempo e luogo.
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I sistemi di riscaldamento dell’ambiente domestico, così come possiamo intenderli attualmente, si sono diffusi soprattutto dal XVIII- XIX secolo.
Questo può apparire sorprendente se si pensa al funzionamento dei complessi sistemi di riscaldamento in uso per le strutture termali in epoca romana, dove è possibile trovare utilizzato un primo sistema di riscaldamento centralizzato. Tale sistema di riscaldamento era chiamato ipocausto, o riscaldamento sotterraneo, e consisteva nel far circolare, sotto i pavimenti e lungo le pareti degli edifici termali romani, l’aria calda proveniente da un forno alimentato a legna.
Altro esempio di architettura bioclimatica sono i Sassi di Matera.
Questi agglomerati stupiscono per le abitazioni scavate e murate con gli stessi materiali di scavo e per il complicatissimo sistema di canali e cisterne (che fece definire Matera «città idraulica») per recuperare la scarsa acqua presente. Alcune grotte naturali furono inizialmente tamponate, poi nel tempo seguì un prolungamento verso l'esterno (lamione) che è la parte visibile dei sassi, ma il lento scavo proseguì per realizzare altri vani. Lo strato di roccia calcarea è spesso circa 400 metri.
Lo scavo è sempre verso il basso e segue dei piani che consentono ai raggi solari invernali di entrare per tutta la lunghezza della grotta per illuminare e riscaldare. In estate i raggi solari si arrestano all'ingresso.
Figura 2.1 - Sistema termale romano
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Figura 2.3 - Schema di scavo dei sassi si Matera
Nell’area mediterranea si ritrovano una serie di abitazioni rurali che avevano originariamente un uso residenziale-agricolo e servivano come struttura stagionale a carattere precario che, esaurita la loro funzione, potevano essere demolite. Si tratta dei trulli pugliesi e dei dammusi dell’isola di Pantelleria.
Il comportamento del trullo è simile a quello di un ambiente ipogeo: la grande massa di pietra, spesso associata ad una vasca d’acqua di accumulo sotterranea, assorbe di giorno il calore del sole e lo restituisce di notte; in questo modo diminuisce, d’estate, la temperatura interna rispetto a quella esterna di 6-7 °C.
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Questo garantisce un buon raffrescamento estivo, connesso alla ventilazione attraverso le forature della pseudo-cupola ed al colore chiaro (calce) della superficie esterna.
La forma compatta a pianta quasi quadrata e le coperture coniche costituiscono un buon compromesso tra difesa dalla radiazione e utilizzo dei guadagni solari. In inverno il calore accumulato nella cupola durante il giorno viene trasmesso di notte, anche all’interno degli ambienti.
La perforazione per la ventilazione è limitata alla canna fumaria del focolare che permette una ventilazione trasversale notturna espellendo aria calda e richiamando l’aria fresca esterna da apposite fessure nella parte bassa della porta.
Un tipo di edificio rurale con caratteristiche simili al trullo è il Dammuso, tipico dell’isola di Pantelleria.
Il clima dell’isola è caratterizzato dalla presenza di temperature piuttosto elevate che raggiungono medie mensili che variano dai 24°C ai 10°C, una piovosità molto bassa; infine presenta una ventosità assai elevata, di conseguenza la forma è compatta e rettangolare e 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 intercapedine di minuto pietrame e da una volta a botte in pietra, impermeabilizzata con intonaco di calce.
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Il Damnuso presenta un'unica porta d’ingresso e nessuna vera e propria finestra all’infuori di due o tre piccole aperture situate alle spesse pareti, con la funzione principale di realizzare il ricambio interno dell’aria.
Le strategie di raffrescamento utilizzate sono: smorzamento dei flussi di calore da parte della spessa massa muraria che può raggiungere spessori oltre 80 centimetri; dissipazione di calore per re-irraggiamento notturno della volta; ventilazione notturna che dissipa il calore accumulato durante il giorno.
L’insediamento indiano di Mesa Verde in Colorado (USA), che risale al XIII secolo circa, rappresenta un esempio assai significativo di utilizzazione delle caratteristiche naturali di un territorio ai fini della sopravvivenza della popolazione che vi abita.
Figura 2.6 - La Mesa Verda, Colorado (USA)
Tale insediamento è incassato in un taglio della roccia ed è esposto verso sud in posizione riparata rispetto ai raggi solari durante la stagione estiva, ma non durante quella invernale. Inoltre la roccia contro cui si addossa l’insediamento, garantisce anche una grandissima inerzia termica, riuscendo a conservare in questo modo anche le condizioni di comfort pressoché costanti per tutto l’anno.
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Durante l’inverno i raggi solari, che sono molto più bassi rispetto alla stagione estiva, riescono a penetrare molto meglio nelle cavità rocciose accumulando, in questo modo, il calore che viene lentamente rilasciato negli ambienti interni durante la notte.
In questo modo si viene a creare un microclima costante e confortevole rispetto all’alternarsi esterno di inverni rigidi ed estati torride.
Figura 2.7 - Schema del principio di funzionamento della ventilazione nella Mesa Verde
Per arrivare ad esempi dell'architettura moderna si può citare Frank Lloyd Wright, il quale è sempre stato legato all'ideologia del rapporto fra l'individuo e lo spazio architettonico e fra questo e la natura, assunta come fondamentale riferimento esterno.
Nel suo volume "Architettura Organica" del 1939, Frank Lloyd Wright esprime la sua idea di architettura, che ha come idea trainante il rifiuto della mera ricerca estetica: la progettazione architettonica deve creare un'armonia tra l'uomo e la natura, costruire un nuovo sistema in equilibrio tra ambiente costruito e ambiente naturale, rendendoli parte di un unico organismo interconnesso.
La Robie House (1908-1910) è, senza dubbio, uno dei più riusciti esempi di abitazione climatizzata realizzata da Frank Lloyd Wright nel periodo cosiddetto delle “prairie”.
L’edificio si apre completamente verso l’esterno liberando le superfici dell’involucro e piegandole ad assumere specifiche funzioni bioclimatiche con una serie assai copiosa di soluzioni innovative intese a trasformare la casa in un efficace organismo ambientale.
Il cortile di ingresso, situato a nord e protetto dai venti gelidi dell’inverno di Chicago, si mantiene fresco ed ombreggiato durante l’estate e, insieme al piano terra anch’esso in ombra
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in quanto protetto a sud dal terrazzo del soggiorno, costituisce un importante serbatoio di aria fresca per l’intero edificio.
Anche nelle umide giornate estive, in genere caratterizzate dall’assenza completa di vento, la massa di aria fresca riesce a condizionare l’abitazione arrivando a raffrescare anche le camere localizzate sotto tetto. Inoltre l’asola delle finestre apribili è sostituita da aperture situate sotto le falde del tetto che, aperte durante la stagione estiva, consentono il risucchio completo dell’aria calda dagli ambienti domestici.
Il corpo dei servizi è collocato a nord in modo tale da costituire una vera e propria barriera al freddo.
Il soggiorno è fornito, per quasi l’intero perimetro, di finestre completamente apribili e dotate di zanzariere interne che consentono ogni sorta di ventilazione incrociata.
Figura 2.8 - Robie House, Chicago, Illinois (USA), Frank Lloyd Wright, 1908-1910
Inoltre la sporgenza del tetto a sud è calcolata, in modo assolutamente esatto, per impedire alla radiazione solare estiva di entrare all’interno dell’abitazione, senza togliere tuttavia la luce ed il calore durante il periodo invernale.
Gli ampi aggetti del tetto ad est e ad ovest funzionano come parasole nei torridi pomeriggi estivi, ma consentono ai raggi invernali, fortemente inclinati, di entrare trasformando il bow-window in un vero e proprio solarium. Invece a nord il tetto funziona come parapioggia, proteggendo l’ingresso di servizio dal lato del cortile di accesso al garage.
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2.1.2. La crisi energetica e le recenti architetture bioecologiche
La crisi energetica a partire dal 1973 è servita come un avvertimento per quanto riguarda il pericolo rappresentato dalla assoluta dipendenza dai combustibili fossili; si è guadagnato in consapevolezza per quanto riguarda la loro esauribilità e si sono rivitalizzate le conoscenze e le pratiche legate alle energie rinnovabili in generale e alla progettazione bioclimatica.
In particolare alla crisi petrolifera segue infatti un periodo di riflessione e ripensamento rispetto al tema della dipendenza energetica, che investe tutti i settori dell’economia. Questo periodo, caratterizzato dai dibattiti internazionali, costringe ad un ripensamento anche dei criteri progettuali che riguardano il comparto edilizio, responsabile del 40% dell’inquinamento ambientale e del consumo indiscriminato di risorse, in particolare delle fonti fossili per il riscaldamento invernale e il condizionamento estivo. Si pone la necessità di superare la divisione radicale tra il progetto architettonico e la tecnologia per il controllo termico degli edifici.
Si sono affermate due tendenze complementari: curare l’isolamento termico dell’involucro, in modo da minimizzare le dispersioni energetiche, e utilizzare le fonti di energia rinnovabili. L’obiettivo era quello di bilanciare gli scambi termici tra edificio e ambiente, attraverso l’utilizzo attivo e passivo della radiazione solare e della ventilazione.
Si inizia così a parlare di architettura bioclimatica, cioè quel tipo di architettura che ottimizza le relazioni energetiche con l’ambiente naturale esterno, attraverso l’adozione di soluzioni costruttive e tecnologie tradizionali passive definite “low tech” (cioè connaturate alla struttura stessa dell’edificio) o innovative attive definite “high tech”, al fine di limitare la dipendenza dalle fonti fossili, ridurre i costi di gestione e i tassi di inquinamento, con un risparmio di circa il 30-40% dei consumi energetici.
Durante questo periodo si è aggiunta la preoccupazione per l’inquinamento ambientale e i cambiamenti climatici: nel 1987, nell’ambito del rapporto elaborato dalla commissione preparatoria del vertice di Rio de Janeiro del 1992, si inizia a parlare di sviluppo sostenibile, definito come uno sviluppo che soddisfi i bisogni delle generazioni presenti senza compromettere le possibilità per le generazioni future di soddisfare i propri1.
1 Questa definizione è stata data dalla Commissione Brundtland: Commissione Mondiale sull'ambiente e lo
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Grazie anche alle norme sul risparmio energetico degli anni novanta, di cui parleremo nel dettaglio in seguito, la rivalutazione del ruolo dell’involucro conduce a una nuova concezione di esso, come componente a comportamento dinamico interattivo, in grado di mutare automaticamente le proprie prestazioni al mutare delle situazioni ambientali e regolare i flussi termici e di massa, potendo anche contenere dispositivi impiantistici di varia natura.
Jean Nouvel, nel 1987, progetta per l’Institut du Monde arabe a Parigi una parete in grado di regolare la luce naturale, favorendone la penetrazione in profondità; Françoise-Hélène Jourda e Gilles Perraudin, nel 1999, integrano pannelli solari e fotovoltaici nelle pareti dell’Accademia dell’Emscher Park.
Figura 2.9 - La facciata dell’Institut du Monde Arabe a Parigi, Jean Nouvel
Figura 2.10 - La copertura con pannelli solari e fotovoltaici integrati nell’Accademia dell’Emscher Park, Françoise-Hélène Jourda e Gilles Perraudin
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In alcuni casi le facciate funzionano anche come sistema di pretrattamento dell’aria, preriscaldandola nel periodo invernale prima che sia inviata alla centrale di trattamento, o come sistema di recupero di calore prima della sua espulsione, come nel caso delle abitazioni
sociali a Linz di Thomas Herzog.
Questo intervento realizza 400 alloggi, distribuiti in due stecche parallele, di 5 piani, orientate secondo l’asse nord-sud. I singoli segmenti sono, a loro volta, caratterizzati dalla grande galleria interna che distribuisce, tramite ballatoi e passerelle, gli alloggi. Essa, in parte attrezzata con vegetazione, ha una copertura vetrata regolabile, che garantisce una ventilazione naturale
Nei mesi freddi, l’accurato controllo dell’isolamento e dello scambio termico delle pareti che la includono porta ad un aumento della temperatura al suo interno, consentendo un risparmio energetico sul riscaldamento degli alloggi.
Durante l’estate, l’aria calda sale e fuoriesce dalle aperture del tetto, mentre aria più fresca viene richiamata dal basso, così che le parti massive dell’edificio subiscono un raffrescamento. I fronti sono caratterizzati, sul lato est, da logge vetrate che ampliano lo spazio dei soggiorni; sul lato ovest, dove sono collocati gli alloggi più piccoli, l’ampia apertura delle finestre, alte da terra a soffitto, consente anche una buona ventilazione. I lati nord e sud sono stati particolarmente curati e isolati anche con il ricorso ad una parete ventilata costituita da pannelli prefabbricati in laterizio.
Figura 2.12 - Abitazioni sociali a Linz (Austria) di Thomas Herzog Figura 2.11 - Schema dell’insediamento nel
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Sempre Thomas Herzog, costruendo la sua prima abitazione unifamiliare a Ratisbona (1979), realizza la sua prima esperienza nell’ambito delle architetture solari.
I suoi sunspaces (che sono anche serre funzionanti) si affacciano a sud e l'interno è diviso in zone lungo l'asse nord-sud. Lo spazio abitativo principale è collegato ai sunspaces con un corridoio intermedio, come si può vedere nell'immagine sottostante.
Figura 2.13 - Abitazione unifamiliare, Ratisbona (Germania), Thomas Herzog, 1979
Tutti gli spazi condividono un tetto a falda unica che è composto da vetri a doppio riquadro sopra i sunspaces e da un materiale di zinco-titanio sopra gli spazi di vita, creando la forma triangolare che definisce l'edificio. L'esterno, rivestito in legno di provenienza locale, ammorbidisce l'impatto visivo di questa geometria rigida con materiali sostenibili.
In inverno, la radiazione solare entra nelle serre, nonché all'interno degli spazi di vita, con un basso angolo di incidenza, permettendo alla luce e al calore di entrare nella casa.
Per regolare le temperature interne durante la notte, la massa termica del pavimento di pietra assorbe il calore durante il giorno e lo rilascia lentamente per tutta la notte per scaldare gli spazi occupati. L'inverso di questo processo si verifica durante i mesi estivi.
La residenza ha il pavimento sopraelevato, consentendo il flusso d'aria sotto la struttura e aumentando così l'efficacia della ventilazione naturale attraverso e intorno all'edificio.
All'interno del disegno della pianta resta un albero di faggio nella zona delle serre, che consente un dialogo diretto tra la costruzione e l'ambiente circostante. Inoltre questa soluzione serve a moderare il microclima del sito e a fornire ombra durante l'estate.
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Figura 2.14 - Schema dell'effetto della radiazione solare
In seguito all’invenzione ed alla decisa affermazione del cemento armato nell’architettura, la struttura portante di un edificio viene affidata esclusivamente ai pilastri verticali ed alle travi, e non più ai tradizionali muri portanti. L’involucro esterno dell’abitazione si trasforma definitivamente in una semplice quanto efficace separazione e protezione degli ambienti interni dagli agenti atmosferici, dai rumori e da tutti gli effetti esterni che possono interagire, anche negativamente, con la vita svolta all’interno del manufatto.
Si rende a volte la parete esterna del tutto simile ad un “pannello di vetro” che permette quindi alla luce solare di entrare all’interno e di aprire completamente l’edificio verso il panorama esterno. Tuttavia vengono a crearsi nuove problematiche legate principalmente agli effetti del soleggiamento che, durante la stagione invernale, svolge una funzione prevalentemente benefica, ma in estate può provocare effetti catastrofici per il benessere interno dell’abitazione.
Per risolvere questo problema vengono generalmente utilizzati sistemi tradizionali, impiegando tende di tessuto sottile o più spesso e con più strati o imposte di diversa natura, posizionate internamente o esternamente all’edificio.
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Le Corbusier fu uno dei primi architetti a far uso in maniera sistematica del frangisole, che ha caratterizzato molte delle sue opere del secondo dopoguerra con facciate costituite da profondi brise-soleil costituiti da setti in cemento armato integrati nella struttura stessa dell'edificio, come nel caso della Unité d'habitation a Marsiglia, costruita tra il 1945 e il 1952.
Figura 2.15 - Particolare della facciata della Unitè d'habitation, Marsiglia (Francia), Le Corbusier, 1945 –1952
Nell’opera di Sir Norman Foster and Partners l’architettura solare acquista un ruolo molto importante.
Per esempio nella Sede centrale della Commerzbank di Francoforte (1997), vengono studiati nuovi modi per rendere più comodi e gradevoli gli spazi destinati agli uffici, realizzando gruppi di costruzioni a quattro piani, che sorgono intorno ad un giardino centrale, che sale a spirale sull’edificio creando una torre di grande trasparenza.
Nel progetto sono stati privilegiati i sistemi ad alta efficienza energetica ambientale ed è prevista ovunque una ventilazione naturale attiva per l'85% dell'anno. La forma triangolare e l'atrio centrale creano una zona di pressione negativa che guida la ventilazione naturale attraverso l'edificio.
Inoltre le finestre degli uffici possono venire aperte manualmente
Figura 2.16 - Schema di ventilazione naturale nella
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verso l’esterno direttamente sul giardino e, in condizioni climatiche particolarmente estreme, le finestre degli uffici vengono chiuse automaticamente ed entrano in funzione i sistemi di climatizzazione interni.
Figura 2.17 - Vista da un ufficio della Commerzbank
Nel Padiglione inglese dell’Expo di Siviglia del ’92, Ove Arup & Partners progettano un edificio per accogliere 20000 visitatori al giorno con temperature fino a 40°C.
Il calore della radiazione solare diretta del sole viene assorbito completamente dal muro occidentale costituito da serbatoi d’acqua. L’acqua, che scorreva lungo la parete vetrata esposta ad est, forniva un ulteriore raffrescamento naturale.
L’elettricità per il pompaggio dell’acqua delle pareti veniva generata attraverso l’impiego di pannelli fotovoltaici situati sul tetto.
Questi sistemi hanno permesso un risparmio complessivo di oltre il 30% dei consumi sostenuti durante l’intera manifestazione.
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Figura 2.18- Padiglione inglese dell’Expo di Siviglia (Spagna), Ove Arup & Partners, 1992: particolare della parete vetrata ad est sulla quale scorre acqua per raffrescamento naturale dell'ambiente
Nell’edificio GSW di Berlino (1999) viene sfruttato un “effetto camino solare” per fornire una ventilazione naturale agli spazi per gli uffici. Un sistema di schermature nell’intercapedine tra le finestre e la facciata riceve contemporaneamente calore dal sole e dall’interno dell’edificio. Questa alternanza genera un flusso di aria calda verso l’alto, inducendo una ventilazione nei locali dell’edificio. La circolazione complessiva dell’aria viene automaticamente regolata a seconda delle temperature esterne.
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Questi sistemi hanno portato ad un risparmio energetico di circa il 37% rispetto ad un ufficio di tipo tradizionale completamente climatizzato.
Figura 2.20 - Edificio GSW di Berlino, Ove Arup & Partners, 1999
Si iniziano ad introdurre sistemi di riscaldamento alimentati a bassa temperatura, pannelli radianti e vetilconvettori, proprio perché integrabili con pannelli solari, pompe di calore, caldaie a condensazione, cercando di abbinare i vantaggi della gestione autonoma a quelli della produzione centralizzata del calore. Di pari passo, soprattutto nei climi più caldi, si rivolge attenzione al tema del raffrescamento estivo e della ventilazione, introducendo strategie di ventilazione meccanizzata.
Si afferma, quindi, il concetto di edificio a basso consumo energetico: un edificio con consumi energetici molto più bassi, circa la metà rispetto ad un edificio di nuova costruzione che rispetti quanto richiesto dalla normativa, prevedendo un consumo di energia per il riscaldamento ben inferiore a 70 kWh/m2anno. Questo tipo di edificio è caratterizzato da una
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forma compatta, per limitare le superfici disperdenti, da un involucro opaco e trasparente altamente isolato, da sistemi bioclimatici per lo sfruttamento passivo ed attivo dell’energia solare, da efficienti sistemi di climatizzazione e ventilazione meccanica degli ambienti che utilizzino fonti rinnovabili.
2.2. Criteri generali d'intervento
Il crescente fabbisogno di energia è un problema che sta riscuotendo sempre maggior interesse in ogni settore della società moderna e il settore dell'edilizia è sicuramente chiamato in causa.
L'impegno per la realizzazione di edifici e insediamenti rispondenti ai criteri del costruire sostenibile sta divenendo un obiettivo concreto per un numero sempre maggiore di amministrazioni comunali, sancito ormai da numerosi indirizzi normativi regionali e nazionali.
Già attraverso la Legge n° 10 del 9 gennaio 1991 si sono introdotte le norme per l'attuazione del Piano Energetico Nazionale, attraverso cui le opere di architettura e ingegneria civile sono state indirizzate verso l'uso razionale dell'energia e il risparmio energetico, proponendo l'uso appropriato di materiali, tecniche, sistemi di costruzione dell'involucro edilizio e degli impianti, ed inoltre promuovendo lo sviluppo di fonti energetiche rinnovabili, con particolare indirizzo nei confronti dell'edilizia pubblica.
In ambito regionale, per quanto riguarda la Toscana, risulta di notevole importanza la Legge n°1 del 3 Gennaio 2005 che detta le norme per il governo del territorio promuovendo, nell'ambito della Regione lo sviluppo sostenibile delle attività pubbliche e private che incidono sul territorio.
I Comuni, le Province e la Regione perseguono una qualità insediativa ed edilizia sostenibile che garantisca:
la riduzione dei consumi energetici;
la salvaguardia dell'ambiente naturale;
la sanità ed il benessere dei fruitori;
l'eliminazione delle barriere architettoniche.
La stessa legge, all'articolo 146, promuove l'edilizia sostenibile attraverso incentivi economici, consistenti in riduzioni degli oneri di urbanizzazione secondaria, ed urbanistici,
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non computando ai fini degli indici di fabbricabilità i maggiori volumi necessari per realizzare serre solari, murature e solai con spessori idonei all'isolamento termoacustico, volumi e superfici necessari a realizzare i requisiti di accessibilità.
Sotto il profilo ambientale, gli interventi edilizi devono essere realizzati nell'ambito di due obiettivi generali di salvaguardia dell'ambiente ed uso razionale delle risorse, al fine di assicurare:
durante il ciclo produttivo fuori opera, la salvaguardia dell'ambiente e l'uso razionale delle risorse nella fase di produzione dei materiali, dei semilavorati e degli elementi prefabbricati. Questo significa che, dove possibile, deve essere preferito l'uso di materiali e componenti prodotti con il minimo impatto ambientale, spreco di risorse e consumo di energia (analisi e valutazione del ciclo di vita - "Life Cycle Assessment");
durante il ciclo produttivo in opera la salvaguardia dell'ambiente nelle fasi di esecuzione, ristrutturazione e demolizione del complesso insediativo ed edilizio;
durante il ciclo funzionale del complesso insediativo ed edilizio, la salvaguarda dell'ambiente e l'uso razionale delle risorse climatiche ed energetiche (ad esempio in riferimento alla qualità dell'aria, al clima acustico, al campo elettromagnetico, allo sfruttamento di sole e vento), delle risorse idriche, dei rifiuti, del suolo e del sottosuolo, delle risorse storico-culturali e paesaggistiche.
A tale scopo è di seguito riportato un elenco di elementi qualificanti riguardanti sia il sistema ambientale sia l'organismo edilizio.
Sistema delle piazze, della viabilità ciclo-pedonale e del verde. Il sistema delle piazze e dei percorsi ciclo-pedonali dovranno essere progettati per integrarsi con il sistema del verde e per favorire la mobilità pedonale di collegamento tra gli edifici e gli spazi aperti. Piazze e percorsi dovranno essere sicuri e privi di barriere architettoniche e gli spazi verdi dovranno essere progettati salvaguardando e valorizzando la flora ed il paesaggio del luogo, scegliendo prevalentemente essenze locali a foglia caduca.
Viabilità carrabile. Lo sviluppo della viabilità carrabile deve essere ridotto al minimo indispensabile, deve essere integrata alla viabilità esistente, ottimizzare le relazioni tra parcheggi ed abitazioni e aumentare la sicurezza dei percorsi anche limitando la velocità di percorrenza.
Qualità dell'aria esterna. Si dovrà favorire il miglioramento della qualità dell'aria all'esterno degli edifici per mezzo dell'uso consapevole del verde, la riduzione e
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razionalizzazione dei percorsi carrabili, l'incentivazione della mobilità ciclabile e pedonale, la riduzione ed il controllo delle emissioni di inquinanti in atmosfera.
Controllo del clima acustico esterno. Il complesso edilizio dovrà essere concepito tenendo in considerazione le sorgenti di rumore presenti in prossimità dell'area al fine di assicurare il rispetto dei "livelli sonori di qualità" nei bersagli sensibili, come indicato dal D.P.C.M. 01/03/91, dalla Legge Quadro n° 447/95 e dai suoi successivi decreti attuativi.
Gestione dei rifiuti. Per i rifiuti domestici si dovranno favorire sistemi di raccolta differenziata.
Sfruttamento e protezione dai venti. Il complesso insediativo deve essere progettato considerando le brezze naturali, sia per il controllo microclimatico degli spazi esterni, sia per la progettazione di sistemi di ventilazione naturale degli edifici. Analogamente va considerata la necessità di protezione dai venti freddi invernali e lo sfruttamento di quelli estivi.
Controllo del soleggiamento. L'organismo edilizio deve essere progettato e realizzato per ridurre i carichi termici estivi e favorire gli apporti energetici diretti come il soleggiamento invernale, attraverso:
un corretto orientamento e un'adeguata distribuzione degli ambienti interni;
un controllo di forma, dimensioni e disposizione delle aperture finestrate in relazione all'orientamento;
l'uso schermante di aggetti strutturali quali balconi, tetti, etc.;
la predisposizione di eventuali schermature fisse e mobili;
la progettazione delle caratteristiche tecnologiche e termo-fisiche dell'involucro;
l'appropriato uso del verde;
l'eventuale adozione di sistemi solari passivi.
Illuminazione naturale. Dimensione, forma e orientamento delle aperture finestrate dovranno essere ottimizzata in relazione alla dimensione e profondità degli ambienti, al fine di favorire l'ingresso della luce naturale, per massimizzare il benessere visivo e ridurre l'uso di illuminazione artificiale nelle ore diurne.
Ventilazione naturale e meccanica degli ambienti confinati. Al fine di assicurare il ricambio dell'aria e i movimenti d'aria utili al benessere igrotermico, si dovranno
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adottare accorgimenti per favorire la ventilazione, naturale o meccanica, degli spazi interni.
Isolamento ed inerzia termica. Le murature e le coperture dovranno essere progettate per realizzare un corretto bilanciamento fra isolamento termico ed inerzia termica. In particolare l'involucro edilizio dovrà possedere un'adeguata massa per garantire lo smorzamento e lo sfasamento dell'onda termica e dovranno essere eliminati i ponti termici.
Materiali e tecnologie. Si dovranno preferire materiali a basso impatto ambientale, valutato durante l'intero ciclo di vita. Lo stesso criterio si dovrà adottare per la scelta delle tecnologie, che dovranno essere preferibilmente semplici ed in uso nella tradizione del luogo.
Impianti termici e sistemi solari attivi. Sono consigliabili impianti centralizzati con gestione autonoma del calore Si consiglia inoltre l'installazione di pannelli solari per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria, di generatori di calore che utilizzino fonti rinnovabili di energia, l'installazione di pannelli fotovoltaici e/o impianti di pompe di calore come integrazione alla produzione di acqua calda sanitaria.
Recupero delle acque meteoriche. Gli organismi edilizi dovranno, se opportuno, essere dotati o predisposti per l'installazione di sistemi per il recupero, filtro ed accumulo delle acque meteoriche e di una rete di distribuzione idrica delle stesse acque all'interno e all'esterno dell'edificio. All'interno le acque recuperate potranno essere utilizzate ad esempio per l'alimentazione delle cassette di scarico dei WC, mentre all'esterno per l'innaffiatura delle aree verdi.
Rumore negli ambienti confinati. Al fine di garantire una "qualità acustica" negli spazi interni, gli elementi tecnologici dell'edificio dovranno essere concepiti in modo tale da contenere la trasmissione dei rumori aerei (provenienti dall'esterno e dalle varie unità ambientali) e dei rumori impattivi (tra unità immobiliari confinanti). In particolare i componenti dell'edificio dovranno avere una prestazione acustica passiva almeno compatibile con il D.P.C.M 05/12/197 "determinazione dei requisiti acustici passivi degli edifici".
Sui meccanismi sopraelencati si basano quei sistemi di climatizzazione che di norma non richiedono per il proprio funzionamento la somministrazione di forme di energia diversa da
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quella rinnovabile che si intende sfruttare (sole e vento in genere), se non in minima parte per azioni di controllo.
Tali sistemi di climatizzazione vengono detti pertanto sistemi passivi.
In un determinato contesto climatico l'insediamento umano più avvalersi anche di più sistemi passivi, parleremo allora di strategie bioclimatiche.
Dal momento in cui la natura ci fornisce alcuni fattori essenziali, quali il sole, l'acqua e il vento, cercheremo di trarne vantaggio adattandoli all'edificio.
Ottimizzando l'orientamento di facciate e finestre all'esposizione giornaliera e stagionale di sole e vento, si può controllare:
l'esposizione alla radiazione solare dell'edificio e la conseguente assunzione di energia solare,
la ventilazione naturale,
l'illuminazione naturale.
Nel progettare la nostra costruzione si cercherà quindi di trarre vantaggio e benefici dal nostro clima.
Di seguito vengono approfonditi una seria di sistemi e concetti bioclimatici che poi risulteranno utili alla progettazione della scuola d'infanzia in progetto.
2.3. L'orientamento dell'edificio
La vita sulla Terra, la temperatura di cui godiamo, l'umidità intorno a noi e gli eventuali fenomeni meteorologici che compongono i diversi climi sono causati dal sole; ma anche tutte le forme di energia rinnovabile naturale che utilizziamo hanno la loro origine nel sole e nella radiazione solare.
L'energia eolica è il risultato del riscaldamento diseguale della superficie della terra, che provoca il movimento di flussi d'aria; l'energia idraulica è il risultato dell'energia potenziale che raggiunge l'acqua una volta evaporata dal calore solare e depositato come pioggia o neve; l'energia delle onde e, in parte, delle sue maree anche ha origine nel sole; la biomassa, in qualsiasi sua fase, primaria, secondaria o residuale, è il risultato della fotosintesi generata grazie all'assorbimento della radiazione solare.
Per questo la conoscenza di questa fonte di energia, il suo controllo e il suo utilizzo sono alla base dell'architettura bioclimatica.
70 2.3.1. La radiazione solare
L'energia solare incide in tre modi diversi sulla superficie della terra:
1. La radiazione diretta: è la parte della radiazione extraterrestre che attraversa l'atmosfera e raggiunge direttamente la superficie terrestre senza aver subito alcun cambiamento di direzione;
2. La radiazione diffusa: è quella emessa dalla sfera celeste grazie a fenomeni multipli di riflessione e rifrazione solare nell'atmosfera;
Nei giorni di sole rappresenta il 15% della radiazione globale, mentre nei giorni nuvolosi è una percentuale molto più alta.
Una superficie orizzontale è quella che riceve più radiazione diffusa, dato che è orientato verso l'intero emisfero celeste; mentre le superfici verticali ne ricevono meno.
3. La radiazione riflessa: è quella riflessa dalla superficie terrestre. La quantità di radiazione dipende dal coefficiente di riflessione della superficie.
La somma di queste tre componenti si conosce come radiazione globale.
2.3.2. La carta solare
L'unica metodo preciso per conoscere dati relativi alla radiazione solare di un luogo si basa su misurazioni prese durante un tempo sufficientemente lungo e con una corretta analisi statistica successiva: in questo modo si otterranno le particolarità microclimatiche della zona. Il tempo necessario per poter ottenere i dati di un anno meteorologico tipico è di almeno 10 anni.
Questo problema può essere risolto anche con l'utilizzo dei diagrammi solari (o carte solari). Le carte solari sono dei diagrammi in cui è possibile leggere l'altezza e l’azimut del Sole, alle diverse ore di ogni giorno di ciascun mese, senza dovere ricorrere al calcolo. Queste carte sono anche utili strumenti per la valutazione grafica delle ombre proiettate da ostruzioni di vario tipo su superfici orizzontali e verticali comunque orientate e per la determinazione del soleggiamento di un aggregato urbano complesso.
Il tipo più tradizionale di diagramma dei percorsi solari si ottiene riportando su un diagramma polare i valori dell’altezza solare e dell’azimut calcolati per ciascun punto della traiettoria del Sole, nel giorno considerato e alla latitudine scelta. Sullo stesso diagramma sono riportate convenzionalmente 7 linee, che rappresentano le posizioni del sole al ventunesimo giorno di
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ciascun mese. I giorni sono stati scelti in modo che i due mesi simmetrici abbiano i valori della declinazione il più possibile vicini fra loro (vale a dire che i percorsi solari siano quasi perfettamente coincidenti) e che siano compresi i giorni in cui il Sole è più alto (solstizio d’estate) e più basso (solstizio d’inverno).
Si consideri la figura seguente.
Figura 2.21 - Il percorso del Sole
Nella carta solare l'osservatore è posizionato nel centro; una successione di circonferenze concentriche rappresenta le varie altezze polari (angolo zenitale) a partire dall'esterno verso il centro (con cadenza di 10°).
Dal punto centrale partono poi una serie di linee radiali rappresentanti gli angoli azimutali: esse partono da 0° in direzione Sud fino, ruotando verso Est o verso Ovest, a 180° in direzione Nord.
Su questa base sono poi tracciate le traiettorie solari in cui i punti indicano le varie ore della giornata.
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Figura 2.22 - Carta solare
In sintesi questo diagramma è organizzato come segue:
il cerchio esterno rappresenta l'orizzonte mentre il centro rappresenta lo zenit;
i circoli interni rappresentano i diversi valori di altezza solare, α, che sono uniformemente distanziati tra loro;
le linee radiali indicano l'azimut γ, disegnato a passi di 10°;
le linee che incrociano i percorsi solari in ogni data, rappresentano l'ora locale reale. Attraverso questo diagramma solare si può vedere come varia il soleggiamento dell'edificio durante le ore della giornata e nei vari mesi dell'anno, con l'indicazione del percorso, delle ore di sole, dell'inclinazione del sole rispetto all'orizzonte (altezza solare) e della sua direzione azimutale (azimut solare).
Questo permette di analizzare nel tempo e nella geometria lo stato di soleggiamento/ombreggiamento dell'edificio e di poterne definire il più corretto orientamento, così da ottenere le migliori condizioni di comfort termico e di illuminazione naturale ed incidere positivamente sui risparmi energetici.
73 2.3.3. Determinazione delle ore di soleggiamento
Per determinare graficamente il periodo di soleggiamento di una parete di un qualsiasi edificio si procede come segue (confronta Figura 2.23):
si orienta il diagramma polare dei percorsi solari relativo alla latitudine del luogo in esame, secondo la direzione Nord della pianta dell’edificio;
dal centro del diagramma si traccia una retta parallela alla proiezione sul piano orizzontale del piano di prospetto dell’edificio, e la retta normale ad essa uscente in direzione Sud;
la parete esaminata risulta soleggiata in quei periodi dell'anno (mesi, giorni, ore) corrispondenti ai tratti delle curve dei percorsi solari che giacciono dalla parte della normale uscente;
rimanenti tratti di curva corrispondono, invece, a periodi in cui la parete esaminata si trova in ombra.
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2.4. Sistemi solari attivi e passivi
Tra le fonti di energia rinnovabili, quella proveniente dal sole è sicuramente una delle più utilizzate, vista la sua facile reperibilità e la sua presenza, anche se variabile, durante tutto l'arco dell'anno.
Il sole può essere utilizzato sostanzialmente con tre scopi.
il riscaldamento e l'illuminazione naturale degli ambienti;
la produzione di acqua calda sanitaria;
la produzione di energia elettrica.
Analizzando i sistemi per il riscaldamento solare, se ne evidenziano due tipi:
I sistemi solari attivi sono impianti che hanno bisogno di dispositivi di tipo meccanico per la distribuzione del calore.
Un esempio di questi sistemi attivi è rappresentato dagli impianti a collettori solari: una o più batterie di elementi di captazione, i veri e propri collettori, posti generalmente sul tetto dell'edificio, acquisiscono l'energia termica dalla radiazione solare e la trasferiscono ad un fluido (acqua o aria) che viene indirizzato verso un accumulatore termico (serbatoio di acqua o letto di ghiaia); il calore immagazzinato viene poi prelevato al momento del bisogno e distribuito meccanicamente grazie a una pompa ai diversi ambienti dell'edificio.
Altro caso è quello dei sistemi fotovoltaici per la produzione dell'energia elettrica. I sistemi attivi hanno bisogno di energia elettrica esterna per azionare dispositivi necessari alla diffusione e produzione dell'energia, per cui non sono da considerare completamente nell'ambito delle strategie bioclimatiche.
I sistemi solari passivi invece non hanno elementi meccanici per la raccolta e distribuzione del calore: i flussi termici avvengono naturalmente grazie ai fenomeni di irraggiamento, conduzione, convezione naturale.
Mentre nel caso di sistemi attivi l'impianto è "aggiunto" all'edificio, nel caso del sistema passivo la struttura intera della costruzione è il sistema.
Le due componenti principali di un sistema solare passivo sono: l'elemento di captazione, generalmente una vetrata esposta a Sud, e la massa termica quale elemento di accumulo e ridistribuzione del calore.
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I sistemi solari passivi, per poter funzionare efficientemente, devono rispettare alcuni principi base:
a Nord le aperture devono essere ridotte al minimo;
il rivestimento del pavimento vicino alle vetrate non deve essere in materiali che ostacolano la conduzione e l'accumulo del calore, quali moquette, legno, etc.;
troppe piante verdi nelle serre causano un aumento dell'umidità e impediscono il passaggio e quindi l'accumulo del calore;
le aperture vetrate devono essere protette all'esterno, per evitare perdite termiche nel periodo freddo e surriscaldato in estate;
l'inclinazione ottimale delle superfici di captazione, le cui vetrate devono essere doppie, va dai 60 ai 90 gradi;
le superfici di captazione devono essere orientate a Sud (può essere accettabile anche un orientamento Sud-Est o Sud-Ovest, ma con una riduzione del rendimento energetico).
Secondo una classificazione usuale, i sistemi solari passivi possono suddividersi in sistemi a guadagno diretto, sistemi a guadagno indiretto e sistemi a guadagno isolato.
2.4.1. Sistemi a guadagno diretto
Sono i più semplici da realizzare e quindi i più comuni. Lo spazio abitato deve essere direttamente scaldato dalla luce del sole: viene quindi usato come un collettore solare, che contiene un mezzo per assorbire calore durante il giorno e lo restituisce la notte quando scendono le temperature.
Figura 2.24 - Sistema a guadagno diretto: i raggi soalri entrano direttamente nell'ambiente che funziona da collettore solare con pareti e pavimenti costituiti da masse con elevata capacità termica
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Le costruzioni con questo genere di sistema solare passivo presentano involucri ampiamente finestrati sulla facciata a Sud e ben coibentati sulle pareti a Nord. Le pareti e i pavimenti interni costituiscono la massa di accumulo di calore e quindi devono possedere una forte capacità termica.
Le aperture vetrate dovrebbero avere uno sviluppo prevalentemente verticale, con un rapporto tra superficie vetrata e superficie di pavimento mediamente pari a 0,20.
La necessità di avere un minimo di regolazione e di poter ottenere un raffrescamento d'estate è suggerito dall'utilizzo di sbalzi orizzontali o di frangisole a protezione delle vetrate.
2.4.2. Sistemi a guadagno indiretto
In questo caso la radiazione solare colpisce una massa termica collocata tra il sole e lo spazio abitato. I sistemi più utilizzati per la realizzazione della massa termica sono il muro solare (verticale) ed il roof pond (in copertura orizzontale).
Il muro solare più noto è il muro di Trombe, costituito da un muro esposto a Sud dotato di forte massa (a volte ad acqua) e protetto da un vetro distante 8-10 cm in modo da formare un'intercapedine d'aria.
Il suo funzionamento è chiarito nello schema riportato in figura 2.25, ma occorre aggiungere che, perché il rendimento del sistema sia accettabile, è necessario che la profondità degli ambienti non superi i 6 m.
Figura 2.25 - Sistema a guadagno indiretto: i raggi solari riscaldano l'aria nell'intercapedine tra muro e vetro che, per convezione naturale, entra nell'ambiente
La principale caratteristica di questi sistemi di captazione è costituita dalla possibilità di regolazione, dall'assenza di abbagliamento e da una migliore protezione solare durante la stagione estiva. Giocano a sfavore però i maggiori costi di costruzione.
77 2.4.3. Sistemi a guadagno isolato
In questo caso la captazione dei raggi solari, la loro conversione in calore e l'accumulo, avvengono in spazi isolati da quelli abitati: le più comuni sono le serre e le logge vetrate (le ultime differiscono dalle prime solo per possedere una superficie captante in meno, la copertura). Si tratta di combinazioni di sistemi a guadagno diretto e indiretto, ovviamente esposti sul lato Sud della costruzione.
Uno dei vantaggi di questo sistema è che si può applicare anche ad edifici esistenti.
Figura 2.26 - Sistemi a guadagno isolato: nella fig. a sx si ha sia guadagno solare diretto attraverso la superficie finestrata che indiretto dovuto al contatto con la serra a temperatura maggiore; nella fig. a dx il collettore solare è
svincolato dall'ambiente da riscaldare e collegato a qusto con circuito dove circola l'aria
2.5. L'illuminazione naturale
La luce naturale rappresenta un elemento fondamentale per il benessere degli occupanti in un edificio.
Un'adeguata illuminazione naturale migliora l'attenzione, le prestazioni intellettive e la produttività, ma anche il benessere psicofisico. Inoltre comporta un notevole risparmio sull'energia elettrica per l'illuminazione e un maggior valore commerciale degli immobili. Rappresenta quindi un fattore di particolare importanza nella progettazione di una scuola, ma anche all'interno delle strategie per il risparmio energetico, in quanto riduce il numero delle ore in cui è necessario accendere le luci.
All’interno di un ambiente chiuso, l’illuminamento naturale nei diversi punti dello spazio è determinato dal flusso di luce proveniente dalle sorgenti primarie esterne, la volta celeste, il sole, i diversi elementi del paesaggio urbano prospiciente la finestra (campo diretto), e dal
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flusso di luce che raggiunge il punto considerato dopo le diverse riflessioni sugli elementi che costituiscono l’involucro edilizio: pareti, soffitto, pavimento, arredamento (campo diffuso).
Figura 2.27 - Componenti dell’illuminamento naturale su di un punto interno di un ambiente
In maniera schematica si può quindi considerare l’illuminamento di un punto interno ad un ambiente costituito da tre componenti: l’illuminamento conseguente alla luminanza della porzione di cielo vista attraverso le finestre, Ec, quello relativo alla luminanza dei diversi elementi di paesaggio esterno visti dal punto attraverso la finestra, ERE, e infine quello dovuto alle riflessioni multiple sulle superfici interne, ERI (cfr. Figura 2.27).
I metodi di valutazione della luce naturale negli ambienti si dividono in due grandi famiglie: quelli che si basano sul fattore di utilizzazione, di origine prevalentemente americana, e quelli che invece si fondano sulla fattore di luce diurna, di origine europea.
Il Fattore di luce diurna è una grandezza in grado di descrivere le prestazioni luminose dell’involucro edilizio, la quale non dipende dal livello di illuminamento esterno, ma solo dalle relazioni geometriche tra punto considerato all’interno dell’ambiente e volta celeste.
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Tale grandezza è definita come: “il rapporto tra l’illuminamento, E, che si realizza su di una superficie orizzontale posta all’interno dell’ambiente considerato grazie alla luce proveniente dalla volta celeste (non si considera la radiazione diretta proveniente dal sole), e quello che contemporaneamente si ha su di una superficie orizzontale posta all’esterno senza alcuna ostruzione, E0” (cfr Figura 2.28).
In base a tale definizione il fattore di luce diurna può essere calcolato con la relazione seguente:
F =
Figura 2.28 - Definizione del fattore di luce diurna
Da un semplice esame dei diversi fenomeni coinvolti si evidenzia come esso risulta funzione delle seguenti grandezze:
area delle aperture finestrate;
coefficiente di trasmissione nel visibile del materiale trasparente che costituisce le finestre;
area dei diversi elementi che costituiscono l’involucro e che sono presenti all’interno del locale (pareti, pavimenti, soffitti, arredi, ecc.); coefficiente di riflessione nel visibile delle superfici dei vari elementi presenti all’interno del locale;
presenza di ostruzioni di qualsiasi genere, esterne o interne, che limitino la vista della volta celeste;
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Esso deve essere superiore ad un certo valore, fissato come valore di soglia al di sotto del quale non sono verificate le condizioni di illuminazione naturali sufficienti alle specifiche esigenze di benessere fisico e psicologico.
Uno schema di valutazione indicativo è il seguente:
F < 0,3% insufficiente 0.3% < F < 2% discreto 2% < F < 4% buono 4% < F ottimo
Si deve ricordare inoltre come il valore del fattore di luce diurna varia da punto a punto all’interno di un ambiente. Si introduce allora il fattore medio di luce diurna, Fmld, dove per medio si intende mediato su più punti di misura.
2.5.1. Calcolo del fattore di luce diurna medio (Fmld)
Esistono diversi metodi di calcolo del fattore di luce diurna, che differiscono tra loro per semplicità d'uso e soprattutto per l’affidabilità nel trattare situazioni geometricamente complesse.
Un primo metodo proposto qui è quello suggerito anche dalla normativa italiana (NTR Emilia Romagna 1984 e Circolare Ministero LL. PP. n.3151 22/5/1967), il quale è adatto alla verifica delle prestazioni illuminotecniche in spazi interni di forma regolare, senza ostruzioni esterne vicine alle finestre (balconi, logge, porticati, ballatoi). Pur se approssimato, questo metodo, garantisce comunque risultati attendibili e congruenti con il livello di precisione proprio alla progettazione edilizia.
Esso permette di calcolare il valore del fattore medio di luce diurna globale, Fmld, ammettendo all’interno dell’ambiente considerato un campo luminoso perfettamente diffuso, ossia uguale in tutti i punti.
La relazione da utilizzare è la seguente:
Fmld =
dove:
Ai : è l'area della finestra i-esima;
τi : è il coefficiente di trasmissione luminosa del vetro (alcuni valori indicativi sono riportati in tabella 2.1);
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rm, è il coefficiente di riflessione medio nel visibile delle superfici che costituiscono l’involucro dell’ambiente considerato;
εi : è il fattore finestra, cioè il rapporto tra l'illuminamento sul baricentro della finestra e l'illuminamento su una superficie orizzontale liberamente esposta alla volta celeste, in altre parole il fattore di vista della volta celeste da parte della superficie della finestra; εi tiene conto delle ostruzioni di fronte alla finestra;
ψi : è un fattore che tiene conto dell’ombreggiamento indotto sulla finestra dall’imbotte.
Riportiamo la tabella con i valori indicativi del coefficiente di trasmissione luminosa del vetro τ:
Tabella 2.1 - Valori indicativi del coefficienti di trasmissione per incidenza normale
Il fattore di riflessione medio rm si ottiene dalla media ponderata dei fattori di riflessione delle varie superfici Si dell’ambiente.
Alcuni valori indicativi del coefficiente di riflessione sono riportati in tabella 2.2 in funzione del colore delle superfici.
Per calcolarlo si utilizza la relazione:
rm =
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Tabella 2.2 - Valori indicativi dei coefficienti di riflessione, r, per differenti colori delle superfici
La semplicità del calcolo è solo apparente in quanto la precisione della risposta dipende dall’esatta determinazione del fattore finestra.
Tale valutazione è semplice se la finestra si affaccia su un paesaggio privo di ostruzioni; un poco più complessa se le ostruzioni sono parallele al piano della finestra, continue e di altezza costante; molto complessa se le ostruzioni hanno forma e giacitura varia. In ogni caso i valori dei due parametri ψ e ε possono essere ricavati dai diagrammi riportati rispettivamente in figura 2.29 e 2.30.
Il fattore finestra ε è dato da:
ε = dove
E0 : illuminamento orizzontale su una superficie esterna che riceve luce dall'intera volta celeste senza irraggiamento solare diretto;
E0V : illuminamento esterno sulla superficie vetrata verticale.
Vista dal baricentro della finestra si ha:
ε = 1,0 per finestra orizzontale (lucernario) senza ostruzioni; ε = 0,5 per finestra verticale senza ostruzioni;
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In caso di ostruzioni (ε < 0,5) per il calcolo di ε la norma UNI 10840/2007 fornisce il seguente grafico di figura 2.5:
Figura 2.29 - Fattore finestra ε: tiene conto delle ostruzioni esterne
Mentre per il calcolo di la norma UNI 10840/2007 fornisce il grafico di figura 2.6:
84 Procedura di calcolo:
1. Si individua il coefficiente di trasmissione nella banda della radiazione del visibile per il vetro utilizzato;
2. Si valuta l'area della superficie vetrata di ciascuna finestra che si affaccia sull'ambiente;
3. Si misura l'area delle superfici interne che delimitano l'ambiente; 4. Per ciascuna finestra del locale si valuta il rapporto: (H-h)/La;
5. Si riporta, sull'asse delle ascisse del grafico di figura 2.29, il valore del rapporto così calcolato e si individua il punto corrispondente sull'asse delle ordinate: esso rappresenta il fattore finestra ε;
6. Calcolati i rapporti hf/P e Lf/P, si trova, sulla curva relativa a Lf/P (dal grafico in figura 2.30), il punto da cui si traccia la retta orizzontale che individua sull'asse delle ordinate il valore del coefficiente di riduzione Ψ;
7. Si applica la relazione per il calcolo di Fmld e si ottiene il valore del fattore medio di luce diurna.
La normativa, in merito all'illuminazione naturale, ci fornisce le seguenti indicazioni:
In particolare, relativamente ai locali scolastici (in riferimento al D.M. 18/12/1975 e alla norma UNI 10840/2007), si ha:
Tipo di compito od attività in interni Fattore medio di luce diurna, Fmld=E/E0
Aule giochi ≥ 5
Aule per il lavoro manuale ≥ 3
Ingressi ≥ 1
Zone di circolazione, corridoi ≥ 1
Scale ≥ 1
Sale comuni e aula magna ≥ 2
Sale professori ≥ 2
Mensa ≥ 2
Cucina ≥ 1
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Per le abitazioni il D.M. Sanità del 5 luglio 1975 (Requisiti igienico-sanitari), Art. 5, scrive: "Tutti i locali degli alloggi, eccettuati quelli destinati a servizi igienici, disimpegni, corridoi, vani-scala e ripostigli debbono fruire di illuminazione naturale diretta, adeguata alla destinazione d’uso.
Per ciascun locale d’abitazione, l’ampiezza della finestra deve essere proporzionata in modo da assicurare un valore di fattore luce diurna medio non inferiore al 2 %, e comunque la superficie finestrata apribile non dovrà essere inferiore a 1/8 della superficie del pavimento."
2.5.2. Tipologie di aperture finestrate per favorire l'illuminazione naturale
I tre principali concetti d'illuminazione naturale sono tre:
Side lighting Top lighting Core lighting
(attraverso aperture laterali) (attraverso aperture in alto) (attraverso atri e cortili)
Abbiamo già detto che una sufficiente illuminazione si ottiene con dimensioni delle finestre corrispondenti al 10% - 12% dell'area calpestabile dell'ambiente da illuminare.
In molte situazioni, invece, la posizione delle finestre nella parete è più importante della loro dimensione.
Nel caso del side lighting le finestre poste in alto fanno arrivare più luce in profondità, ma non consentono la vista verso l'esterno. Le finestre poste in basso invece consentono un buon rapporto visivo con l'ambiente esterno, ma oscurano una parte del soffitto e riducono il livello di illuminamento.
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Inoltre l'illuminamento è migliore se all'esterno si trovano delle superfici chiare che riflettono la luce verso il soffitto.
La luce che penetra dalle finestre viene riflessa dalle pareti, dal soffitto, dal pavimento e dall'arredo: un soffitto molto chiaro riflette e diffonde la luce in tutto l'ambiente.
Soffitto riflettente Riflessione dalla mensola al soffitto
Nel caso dell'illuminazione dall'alto (top lighting) l'occhio reagisce in maniera più sensibile alle irregolarità d'illuminamento.
La luce dall'alto illumina in primo luogo i piani orizzontali: i tavoli da lavoro e i pavimenti. I piani orizzontali meglio illuminati sono quelli che si trovano direttamente sotto l'apertura, ma la luce dall'alto ha spesso il problema che le ombre delle persone si proiettano proprio sull'area di lavoro, che dovrebbe essere quella meglio illuminata.
Secondo una regola generale, la superficie vetrata per illuminare sufficientemente uno spazio dall'alto dovrebbe corrispondere al 15-20% dell'area del pavimento.
Le aperture che possono illuminare un ambiente dall'alto sono di vario tipo: vetrate orizzontali, verticali e inclinate di varia forma e dimensione.
Esempi di aperture dall'alto
Infine sono sempre più comuni gli atri e cortili interni che intersecano tutti i piani e che sono coperti da tetti vetrati, il core lighting.
Questi atri assumono una funzione multipla: consentono l'illuminazione e servono per la ventilazione. Devono essere progettati come canali che dirigono la luce dall'alto verso il basso
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e conviene conferire a tale spazio una forma con dimensione maggiore per l'apertura in alto e più ristretta in basso.
Esempi di illuminazione con atri interni
Bisogna considerare inoltre che la luce che penetra dall'alto è anche una fonte di calore che può comportare dei surriscaldamenti, in particolare in estate quando la posizione del sole è alta, la radiazione molto forte e le giornate di sole sono numerose.
Le vetrate in alto devono essere apribili per poter far uscire, durante la notte, l'aria calda che si è formata durante il giorno.
2.5.3. Regolazione dell'illuminazione naturale attraverso le schermature
Una schermatura solare in base alla definizione dettata dal D.L. 311/06 è un sistema che "applicato all'esterno di una superficie vetrata trasparente permette una modulazione variabile e controllata dei parametrici energetici e ottico-luminosi in risposta alle sollecitazioni solari".
In altre parole, una schermatura solare è un sistema che permette attraverso la sua azione una risposta dinamica adeguando le radiazioni solari incidenti sulle aperture trasparenti o vetrate di un edificio al fine di migliorare il comfort e ridurre il consumo energetico.
Le superfici vetrate comportano spesso eccessivi carichi termici e luminosi, per questo controllare l'afflusso dell'energia solare attraverso le aperture vetrate è fondamentale.
Una schermatura solare deve essere correttamente dimensionata prendendo in considerazione sia il periodo invernale che quello estivo: la nostra zona climatica presenta infatti la duplice esigenza di schermarsi dal caldo estivo e di guadagnare calore durante l'inverno.
È dunque necessario progettare tali sistemi di ombreggiamento in relazione alla latitudine e alle condizioni specifiche del contesto.
Una soluzione è la progettazione di sistemi schermanti esterni all'edificio: possono essere sistemi fissi, come sporti di gronda, balconi o aggetti oppure sistemi mobili, orizzontali o
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verticali. Diverse sono le tipologie per materiale, forma, per posizionamento, orientamento, sistemi di schermatura orizzontali, verticali o obliqui, da scegliere a seconda dell'applicazione. Indicativamente i frangisole verticali sono consigliabili per le facciate Est ed Ovest, per riparare dalla luce radente dei raggi bassi del sole di mattino e pomeriggio; mentre quelli orizzontali sono indicati per le facciate esposte a Sud, per impedire la radiazione solare diretta nelle ore centrali delle giornate estive, consentendo l'apporto solare invernale.
I materiali in cui possono essere realizzate queste schermature sono molteplici: dal calcestruzzo, al legno, ai profilati in alluminio o acciaio o PVC.
Le schermature possono essere suddivise in base alla posizione, alla modalità di gestione e alla geometria, e sono classificabili in:
esterne / interne;
fisse / mobili;
orizzontali / verticali.
Le schermature esterne fermano i raggi esternamente alla frontiera vetrata riducendo il carico termico della radiazione incidente, sono così molto più efficaci di quelle interne come strumento di controllo solare.
Esse sono riconducibili principalmente a due tipologie: fisse e mobili.
Le schermature esterne fisse comprendono sia elementi strutturali, come balconi o aggetti delle coperture, sia elementi non strutturali come tende esterne o frangisole.
I sistemi fissi hanno come vantaggio la robustezza e l'assenza di elementi meccanici e richiedono la minima manutenzione; gli svantaggi consistono nel fatto che non sono adattabili alle variazioni della posizione del sole.
Per ogni lato dell'edificio si dovrà valutare, in base all'esposizione ed alle varie componenti della radiazione solare che arriva sull'involucro (diretta, riflessa o diffusa), quale sarà l'elemento schermante più efficace. Per questo motivo le schermature solari esterne fisse si suddividono, in base alla loro geometria, in: orizzontali, verticali e miste (orizzontali/verticali).
Figura 2.31 - Tipologie fisse con elementi architettonici pieni. Da sinistra verso destra: schermature orizzontali, verticali e "a griglia"
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Gli elementi aggettanti orizzontali fissi sono generalmente balconi, pensiline e aggetti della copertura. Hanno il vantaggio di bloccare la radiazione estiva (maggiormente inclinata rispetto alla facciata dell'edificio) e proteggere dagli agenti atmosferici nei mesi invernali.
Queste schermature sono adatte alle pareti dell'edificio esposte a Sud, questo perché alle nostre latitudini si ha la doppia esigenza di proteggersi dal sole in estate e di guadagnare calore in inverno. Ciò è possibile perché in inverno il sole è basso rispetto all'orizzonte e quindi la radiazione solare non viene schermata dagli aggetti orizzontali e può penetrare all'interno dell'edificio attraverso le finestre ed essere accumulata sotto forma di calore. In estate, al contrario, il sole è più alto rispetto all'orizzonte e la radiazione solare viene bloccata dagli aggetti.
Le schermature fisse verticali sono efficaci solo per le pareti a Est ed Ovest perché bloccano principalmente la radiazione poco inclinata, che in estate si ha solo nelle prime e nelle ultime ore della giornata.
Per ottenere livelli migliori di ombreggiamento si possono fondere i due sistemi sopra esposti in schermature fisse combinate orizzontali e verticali: questo sistema è detto "a griglia".
In questo modo si avranno elementi schermanti con sporgenze minori rispetto alla facciata ed una migliore visione dall'interno verso l'esterno. Sono molto efficaci per l'ombreggiamento di facciate esposte a Sud in climi molto caldi.
Le schermature solari esterne mobili sono caratterizzate da un comportamento dinamico e flessibile che consente di adattarle al meglio alle condizioni climatiche, per questo risultano spesso più efficienti dei sistemi fissi di ombreggiamento.
Essendo però costituite da elementi meccanici, hanno lo svantaggio di richiedere una periodica manutenzione e pulizia.
Si ripropone nuovamente la classificazione in schermature mobili orizzontali e verticali, ma questa volta gli elementi schermanti sono costituiti da lamelle regolabili che in estate sono posti a completa chiusura degli elementi vetrati, mentre in inverno lasciano completamente scoperte le superfici vetrate consentendo alla radiazione solari di raggiungere l'ambiente interno.
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Figura 2.32 - Struttura di una schermatura solare esterna mobile orizzontale
La struttura di supporto di questi elementi è generalmente staccata dal resto dell'edificio e si viene quindi a creare un secondo involucro, leggermente distanziato da quello principale, che favorisce la canalizzazione dell'aria tra le due superfici e la dissipazione del calore.
2.5.4. Le schermature verdi
Le schermature verdi consistono nell'uso di alberi o piante rampicanti per controllare il soleggiamento estivo di un edificio.
L'applicazione delle piante per l'ombreggiatura degli edifici può essere un efficiente metodo passivo di controllo solare, perché i carichi radiativi e termici nella porzione di area ombreggiata sono più bassi e inoltre l'effetto di raffreddamento per evaporazione dalle piante provoca una temperatura più bassa intorno alla parete ombreggiata.
Oltre al risparmio energetico che può essere realizzato dall'uso degli alberi come dispositivi di ombreggiatura, si dovrebbero anche considerare i benefici generali per l'ambiente, che derivano dalla riduzione delle emissioni di gas serra ottenuta grazie al risparmio di energia, e l'influenza estetica degli alberi sul paesaggio urbano.
Una schermatura verde si può ottenere in due modi:
Piantando alberi a foglie caduche nei pressi dell'edificio.
In questo modo la facciata vicina agli alberi sarà ombreggiata in estate, quando gli alberi hanno le foglie, e soleggiata in inverno, quando gli alberi le perdono, così da ottenere un duplice beneficio.
