Capitolo 6
SPERIMENTAZIONI SULLE PERFORMANCE ENERGETICHE
DEI LIVING WALL
6.1. VALUTAZIONE SPERIMENTALE DI UN SISTEMA LIVING WALL IN UN CLIMA
DI CARATTERE CALDO ED UMIDO
I sistemi di verde verticale hanno la capacità di generare un microclima e molte ricerche sono state effettuate al fine di valutare tale aspetto. Considerando il rapido sviluppo urbanistico avvenuto in Cina negli ultimi decenni, che ha generato un’espansione dell’ambiente costruito, a discapito delle aree verdi, un team di ricercatori1 dell’Università di Wuhan, in Cina, ha condotto
uno studio sui sistemi living wall, al fine di comprenderne il potenziale in termini di alternativa valida al miglioramento dell’ambiente urbano.
Il sito scelto per l’esperimento è stato proprio Wuhan, città con estati calde ed umide: durante i mesi più caldi (da luglio a settembre) il picco di temperatura di giorno può superare i 40°C con una umidità relativa media superiore al 70%, che rende il caldo intollerabile. La notte la temperatura non scende mai sotto i 30°. Si tratta di una tipica grande città industriale che ha raddoppiato la propria superficie negli ultimi 20 anni. In un contesto simile l’effetto dell’isola di calore urbana è fortemente rilevante, comportando alte temperature e abbattendo la ventilazione naturale, che è minima durante la notte.
La ricerca si è basata su un approccio di tipo sperimentale e si è avvalsa dell’utilizzo di due laboratori posti sulla copertura dell’edificio del Dipartimento di Architettura a Wuhan (fig. 6.1.1).
Il rivestimento dell’edificio è stato attentamente progettato affinché fosse adeguatamente isolato: il coefficiente di trasferimento del calore era di 0.25 W/m2K e l’indice di inerzia termica di
2,5. Ad un isolamento migliore del laboratorio corrisponde un rallentamento nell’acquisizione di calore. La copertura del laboratorio era composta da due lastre con, nel mezzo, uno strato di aria ventilato naturalmente al fine di prevenire l’innalzamento di temperatura causata dalla radiazione solare diretta. Le finestre erano costituite da un vetro doppio a bassa emissione ed erano presenti persiane installate ad angolo fisso (60° dal piano orizzontale) in grado di bloccare tutta la radiazione solare e permettere al contempo la ventilazione quando la finestra era aperta. Alle pareti ad Ovest era collegata una struttura in acciaio regolabile, che poteva essere allontanata o avvicinata al muro, andando da 30 mm a 600 mm di distanza; il gap che veniva a crearsi era
completamente coperto, al fine di evitare il riscaldamento dell’aria da parte della radiazione solare diretta. Nello strato d’aria era inoltre garantita la ventilazione naturale (fig. 6.1.2).
Fig. 6.1.1: i due laboratori dotati di sistema living wall.
Vennero disposti 25 box con vegetazione, di 500 mm di lato e 10 mm di profondità, sulla struttura metallica per coprire l’intera area della parete ad ovest. Due mesi prima dell’esperimento 6 differenti specie di piante erano state trapiantate nei box in maniera random. Il substrato, composto da una miscela di terreni, veniva irrigato una volta al giorno da un sistema controllato elettricamente. Una visione dettagliata del sistema living wall è riportata in fig. 6.1.3.
Fig. 6.1.3: dettagli del sistema living wall.
Vennero effettuate tre serie di esperimenti comparativi tra luglio e settembre 2012, variando la configurazione del living wall e dei laboratori (tabella 6.1.1).
Data Laboratorio A Laboratorio B
Esperimento 1-a 25 luglio 30 mm* Parete spoglia
Esperimento 1-b 26.27 luglio 30 mm con aria condiz. Parete spoglia con aria condiz Esperimento 2 1 settembre 30 mm senza ventilazione 30 mm con ventilazione
Esperimento 3-a 16 agosto 30 mm w-v-d** 200 mm w-v-d
Esperimento 3-b 28 agosto 200 mm w-v-d 400 mm w-v-d
Esperimento 3-c 20 agosto 400 mm w-v-d 600 mm w-v-d
* 30 mm è lo spazio minimo richiesto dalla struttura di supporto metallica del sistema modulare living wall usato nell’esperimento
** w-v-d = distanza della parete vegetale
I dati di temperatura superficiale sono stati raccolti grazie a termocoppie (Tipo T, rame-Costantana, precisione 1°C o 75% sopra 0°C). Ogni superficie aveva 6 differenti punti dove erano applicati sensori per ottenere la deviazione (fig.6.1.4). Grazie ad una stazione meteorologica posta a 10 m dai laboratori sono stati registrati giornalmente temperatura, radiazione solare e velocità del vento ogni 30 minuti. Per l’analisi sono stati utilizzati i dati relativi ai giorni sereni.
Fig. 6.1.4: la struttura living wall e la localizzazione dei sensori.
Esperimento 1-a: comparazione tra LW e parete nuda
Il 25 luglio 2012 sono stati monitorati un laboratorio con LW ed uno privo di tale tecnologia. Entrambi gli spazi erano privi di aria condizionata. Le finestre sono state tenute chiuse dalle 7:00 alle 19:00 per minimizzare il calore entrante nella stanza e sono state aperte di notte
per ventilare l’ambiente. La comparazione tra le temperature delle superfici esterne e interne del muro e dello spazio interno sono riportati nei grafici 1-3 della figura 6.1.5.
Sia la superficie esterna che interna della parete con LW ha fluttuazioni di temperatura più piccole rispetto al caso di parete nuda. La temperatura della superficie esterna con LW risulta più bassa fino ad un massimo di 20.8°C comparata con quella della parete sprovvista di tale soluzione, mentre la superficie interna risulta inferiore fino ad un massimo di 7.7°C. La temperatura dello spazio indoor si abbassa fino a 1.1°C, con una riduzione media di 0.4°C. Risultati analoghi erano stati ottenuti da precedenti ricerche: uno studio condotto da Wong mostrava un trend simile riguardo la riduzione di temperatura di una parete coperta con LW (riduzione di 11,58°C in estate a Singapore), mentre Olivieri aveva condotto in Spagna un’analisi sull’abbassamento della temperatura negli spazi interni, giungendo alla conclusione che in caso di muri dotati esternamente di pareti vegetali, l’ambiente indoor risultava avere una temperatura più bassa del 20%.
Il grafico 4 mostra che lo strato d’aria ha una fluttuazione di temperatura minore rispetto all’aria esterna: la riduzione di temperatura massima dello strato d’aria è di 9.7°C, comparata all’aria ambientale durante le ore del giorno, mentre durante la notte l’aria nell’intercapedine è leggermente più calda, fino a 1.6°C. La temperatura media dello strato d’aria è 3.1°C più bassa dell’aria ambientale.
Nella parete nuda, la superficie esterna del muro riceve calore dalla radiazione solare diretta, dalla radiazione diffusa dal cielo, dalla radiazione riflessa dal suolo, dallo scambio di calore con l’ambiente circostante e dallo scambio convettivo con l’aria ambientale. Il LW è in grado di bloccare tutta la radiazione solare incidente, che è la causa principale dell’acquisizione di calore per l’edificio; inoltre la parete è influenzata dal microclima che si genera tra la sua superficie e il LW. Il grafico 5 mostra la temperatura superficiale interna ed esterna della parete priva di LW: è chiaro che essa guadagna calore durante il giorno, dato che la temperatura esterna è maggiore, e lo rilascia all’aria ambientale di notte. Dal grafico 6 si nota che la temperatura esterna del muro con LW è sempre più bassa rispetto alla superficie interna, indicando che il muro sta cedendo in effetti calore al microclima formato dalla superficie esterna del muro, dal lato retrostante al LW e dall’intercapedine d’aria frapposta.
La fig. 6.1.6 mostra i processi di scambio termico all’interno del microclima, dove agiscono contemporaneamente i meccanismi di conduzione, convezione e irraggiamento.
Fig. 6.1.6: scambio termico nel microclima generato dal LW.
La parete esterna è coinvolta in due processi di scambio: scambio convettivo tra strato d’aria e superficie del muro, scambio di calore per irraggiamento tra LW e superficie della parete. Anche se irraggiamento e convezione si verificano in combinazione tra loro, i flussi relativi ai vari
fenomeni sono indipendenti l'uno dall'altro e sono calcolabili in modo indipendente. La perdita netta di calore dal muro è la somma del calore scambiato da convezione e irraggiamento.
Dal grafico 7 della figura 6.1.5 si può notare che lo strato d’aria ha le temperature più alte attraverso le 24 ore, seguito dalla superficie della parete e dal lato retrostante al LW, che ha le temperature più basse. La tabella 6.1.2 mostra un sommario delle temperature minime, massime e medie.
Tab. 6.1.2: dati di temperatura e umidità.
Il flusso di calore qc (W/m2) è determinato tramite il coefficiente di scambio convettivo h e
q
c= h(T
a− T
w)
Il coefficiente h è stato valutato attraverso l’equazione semplificata di Holman, relativa al trasferimento di calore convettivo tra superfici verticali e flusso libero di aria a pressione atmosferica e temperatura moderata:
h
= 1.42 Δ
T
L
Considerando che la temperatura media giornaliera della superficie del muro è Tw=33.0°C,
mentre per lo strato d’aria Ta=33.2°C, e che quindi ΔT=0.2°C e fissando L=2,5 m, otteniamo che
qc=0.13W/m2. Il fatto che Tw è sempre minore di Ta suggerisce che la superficie del muro
acquisisce calore dallo strato d’aria tutto il giorno, ad un flusso termico convettivo medio di 0.13 W/m2. Analisi simili possono essere condotte al trasferimento di calore per convezione dallo strato
d’aria al LW; per quest’ultimo la temperatura risulta più bassa rispetto allo strato d’aria tutto il giorno. Il risultato calcolato suggerisce che il lato sul retro del LW assorbe calore dall’aria nell’intercapedine ad un flusso termico convettivo medio di 0.76 W/m2. Quindi l’aria rilascia calore
sia verso la parete che verso il LW: questa è la causa che giustifica la formazione del microclima. Il flusso di calore qr dovuto all’irraggiamento tra due superfici parallele è stato valutato
attraverso la relazione proposta da Holman:
q
r=
σ T1
4− T
2 4(
)
1
−
ε1
(
)
/
ε1
+1/ F
1,2+ 1−
(
ε2
)
/
ε
2I dati mostrano che la temperatura della superficie esterna della parete è sempre più alta della parte retrostante al living wall, con una differenza massima di 1.2°C nell’esperimento 1-a. Considerando i valori di temperatura riportati in tabella ed assumendo ε1=0.925 (valore di
emissione del materiale sulla superficie del muro: acciaio inossidabile con vernice bianca laccata), ε2=0.86 (valore di emissione del materiale sulla superficie retrostante al LW: foglio di gomma),
F1,2= 1 (sulla base della distanza e della dimensione delle due superfici), è stato calcolato un
risultato di qr pari a 2.63 W/m2K4. La superficie del muro è raffreddata dal LW attraverso lo
scambio di calore per irraggiamento.
ΔT=(Ta-Tw) (°C)
L: dimensione verticale (m)
T1,T2: temperatura termodinamica delle due
superfici
σ: cost. di Stefan-Boltzmann 5.7x10-8 W/m2°K4
ε1,ε2: emissività delle due superfici
Riassumendo la superficie esterna del muro acquista calore dallo strato d’aria e cede calore al living wall. La perdita netta di calore dalla superficie del muro è data dalla differenza tra qc e qr
(q=qc-qr=0.13-2.63W/m2=-2.50W/m2). Riducendo qc e/o incrementando qr è possibile rimuovere
maggior quantità di calore dalla superficie esterna del muro, aumentando perciò il potere raffreddante del LW.
Simili analisi possono essere eseguite per lo strato d’aria ed il living wall. Uno schema dei processi di trasferimento del calore e delle direzioni del flusso lungo le tre entità è illustrato in figura 6.1.7.
Fig. 6.1.7: direzione del flusso di energia netta lungo lo strato d’aria, la superficie del muro e il living wall.
Lo strato d’aria è la sorgente di calore che trasferisce calore sia alla superficie esterna del muro che al LW; quest’ultimo è lo strumento che rimuove il calore dall’intercapedine d’aria e dalla superficie del muro.
Il living wall può inoltre incrementare il tasso di umidità relativa dell’aria circostante attraverso il suo substrato umido e l’evapotraspirazione delle piante. Come conseguenza il calore latente negli spazi interni potrebbe essere aumentato, così come il carico di condizionamento. Tuttavia l’aria circostante che potrebbe essere influenzata sta solo all’interno di una piccola distanza dal LW. Nel caso di un edificio ben isolato l’influenza sull’umidità interna potrebbe essere trascurabile. Inoltre le condizioni di umidità dell’aria nell’intercapedine sono più importanti che rispetto all’aria circostante, dato che il primo è adiacente alla superficie del muro e influenza direttamente l’aria che si infiltra attraverso la parete.
Il grafico 8 compara le condizioni di umidità dello strato d’aria e dell’aria ambientale, mostrando che nel primo l’umidità relativa è più alta durante il giorno e più bassa di notte rispetto all’ambiente; perciò l’aria nell’intercapedine non ha sempre un valore di umidità più alto dell’aria ambientale. Il valore medio di umidità relativa nello strato d’aria è di 74.6%, praticamente identico a quello misurato per l’aria esterna (74.3%), pertanto l’infiltrazione attraverso la parete non avrebbe comportato un innalzamento di calore latente nel laboratorio A di quanto non avrebbe fatto nel laboratorio B.
Il grafico 9 mostra la comparazione tra i valori di umidità interna dei due laboratori: si può notare che l’umidità relativa interna nel laboratorio A è leggermente più alta di quella registrata nel laboratorio B durante il giorno, mentre nelle ore notturne avviene il contrario. Il valore medio di umidità relativa nel laboratorio A è 58.2% mentre è 58.0% nel B; la differenza di 0.2% può ritenersi trascurabile. Quindi il LW ha a malapena influenza sull’umidità interna, non avendo effetto sull’incremento di carico di condizionamento dell’edificio nell’arco delle 24 ore. Possiamo concludere che il living wall ha fornito una condizione maggiormente stabile per l’umidità relativa nello strato d’aria prossimo alla parete, senza incrementare l’umidità relativa media dello spazio indoor.
Esperimento 1-b: comparazione del consumo energetico
Questo esperimento è stato condotto dalle 8:00 del 26 luglio alle 8:00 del 27 luglio; entrambi i laboratori erano dotati di sistemi di condizionamento che garantivano una temperatura di 24°C per 24 ore. Dalla lettura dei dati è emerso che l’utilizzo di energia per il laboratorio dotato di LW è di 3 kWh, che è 0.4 kWh inferiore rispetto al caso senza tale rivestimento.
La temperatura della superficie interna del muro e dell’aria interna sono parametri importanti per valutare l’ambiente indoor dal punto di vista termico. Il grafico 1 della fig. 6.1.8 mostra che il muro con LW ha una fluttuazione di temperatura più piccola sulla superficie interna rispetto al caso di parete nuda. L’ampiezza della temperatura (il valore assoluto della massima differenza tra temperature alternanti dai loro valori medi) della superficie interna del muro con LW è 2.0°C, 44% più piccola del caso di parete nuda, dove l’ampiezza di temperatura è 3,6°C. Questo è il risultato dovuto al fatto di avere un impatto più piccolo in termini di calore trasferito attraverso la parete. Il grafico 2 mostra che l’ampiezza della temperatura della superficie interna del muro con LW è 2.4°C, 35% più piccola del caso di parete nuda, dove l’ampiezza di temperatura è 3,7°C. La temperatura media indoor dello spazio con LW è 24.2°C, contro i 24,4°C dell’altro caso. Ciò denota il promettente effetto del living wall di stabilizzazione dell’ambiente interno quando è attiva l’aria condizionata.
Esperimento 2: impatto della ventilazione
I risultati dell’esperimento 1-a mostrano che lo strato d’aria di 30 mm è la fonte di calore maggiore per il microclima. Poiché l’intercapedine è ventilata naturalmente e l’aria dell’ambiente ha temperatura più alta, la ventilazione potrebbe aver portato all’interno calore. L’esperimento 2 è stato effettuato per testare le ipotesi che una minor quantità di calore potrebbe entrare nel microclima, minimizzando la ventilazione, e che l’effetto di raffreddamento del microclima potrebbe essere potenziato. In data 1 settembre 2012 su entrambi i laboratori è stato installato il living wall alla stessa distanza (w-v-d=30 mm). Lo strato di aria nel laboratorio A è stato sigillato da ogni parte per minimizzare la ventilazione naturale, mentre nel laboratorio B è stata mantenuta tale caratteristica. La fig. 6.1.9 mostra i dati di temperatura e umidità.
Fig. 6.1.9: comparazione tra il caso di living wall con e senza ventilazione.
Dal grafico 1 e 2 è possibile vedere che la temperatura della parete con intercapedine sigillata è inferiore rispetto al caso con ventilazione, con una riduzione massima di 1.76°C. La sua temperatura media è 30.5°C, 0.7°c minore dell’altra. La differenza è meno netta sulla superficie
interna sono quasi identiche. Il grafico 3 mostra che mentre entrambi gli strati d’aria sono più freschi dell’aria dell’ambiente durante le ore del giorno, il caso con intercapedine sigillata si presenta con temperature inferiori rispetto all’altro riferimento. Tali risultati suggeriscono che ricorrere ad un’intercapedine sigillata garantisce un maggior effetto refrigerante. Per valutare la perdita di calore netta sulla superficie del muro sono state utilizzate le equazioni esposte precedentemente per il flusso dovuto a convezione e irraggiamento, basandosi sulle temperature medie della tabella 6.1.2. Tali risultati sono riportati nella tabella 6.1.3.
Tab. 6.1.3: flussi termici sulla superficie della parete.
Si nota che sia lo scambio convettivo che per irraggiamento sono più intensi per la superficie della parete con intercapedine sigillata. Ma la perdita di calore netta sulla superficie del muro senza ventilazione (0.66 W/m2) è maggiore rispetto all’altro caso (0.36 W/m2), che vuol dire
che nonostante la superficie del muro con strato di aria fermo guadagni più calore dallo scambio di calore convettivo, esso perde ancora più calore dallo scambio per irraggiamento. Questa conclusione suggerisce che il miglior effetto refrigerante dato dall’intercapedine sigillata è dovuto al più forte scambio di calore radiante tra parete e LW.
Il grafico 4 dimostra che se lo strato d’aria non è ventilato, l’umidità relativa è più alta tutto il giorno. Il valore medio di tale parametro in questo caso è infatti di 88.2%, maggiore rispetto al caso di ventilazione (74.7%) e rispetto all’aria dell’ambiente (75.6%). Lo strato d’aria aperto mostra condizioni di umidità simili all’esperimento 1-a, che ha una fluttuazione più bassa e un valore medio dell’umidità identico a quello dell’ambiente.
Dall’esperimento 2 si può concludere che attraverso un’intercapedine chiusa l’effetto refrigerante del LW viene potenziato, insieme alla percentuale di umidità nel microclima. L’incremento di quest’ultimo parametro non è preferibile per gli edifici, poiché potrebbe causare un incremento del calore latente all’interno degli stessi. In situazioni con condizioni climatiche caratterizzate da alta umidità risulta quindi essenziale la ventilazione dell’intercapedine.
Esperimento 3: comparazione tra differenti distanze del living wall
Un’altra ipotesi di questa ricerca è che l’incremento della distanza della parete vegetale dal muro potrebbe comportare una riduzione dell’effetto di raffrescamento. In questo esperimento si comparano quindi LW con diverse distanze (w-v-d). La figura 6.1.10 riporta i risultati ottenuti.
Fig. 6.1.10: comparazione tra living wall a differenti distanze.
Il primo esperimento compara il living wall distante 30 mm e quello distante 200 mm. Il grafico 1 e 2 mostrano che lo strato d’aria e la superficie nel caso di w-v-d=30 mm sono più freddi rispetto a w-v-d=200 mm. La massima riduzione di temperatura della superficie esterna del muro è 1.55°C. Non si notano differenze tra i due casi riguardo a temperatura della superficie interna e dell’aria indoor. In modo simile la comparazione degli altri due esperimenti mostra la stessa tendenza, ma con numeri diversi: se w-v-d=200 mm vi è una riduzione massima di temperatura di 1.2°C sulla superficie esterna del muro rispetto al caso di w-v-d=400 mm, mentre tra quest’ultima situazione e w-v-d=600 mm vi è una riduzione massima di temperatura di 1.0°C.
Per valutare la perdita di calore netta sulla superficie del muro sono state utilizzate le equazioni esposte precedentemente per il flusso dovuto a convezione e irraggiamento, basandosi sulle temperature medie della tabella 6.1.2. Il fattore di vista F1,2 è stato corretto per ogni
esperimento quando è stato calcolato il flusso termico per irraggiamento (per i casi w-v-d=30 mm, 200 mm, 400 mm e 600 mm sono stati assunti rispettivamente F1,2=1.0, 0.90, 0.70, 0.60). Come
dimostrano i risultati in tabella 6.1.3, la superficie della parete nel caso di w-v-d=30 mm ha una maggiore perdita di calore rispetto al caso di w-v-d=200 mm, suggerendo un effetto refrigerante più forte del LW. Parimenti le comparazioni 200 mm-400 mm e 400 mm-600mm suggeriscono i medesimi risultati. Da ciò si può concludere che più piccola è la distanza dalla parete del living wall, maggiore è il suo effetto refrigerante.
Il grafico 3 mostra che ad una riduzione della distanza corrispondono valori più alti dell’umidità nello strato d’aria per tutto il giorno. Sia il valore massimo che minimo dell’umidità relativa del caso w-v-d=30 mm è più alto. L’umidità relativa media in questo caso è 75,5%, che è leggermente più alta del caso w-v-d=200 mm (69.8%). In modo simile l’umidità relativa media del caso w-v-d=200 mm è maggiore dello 0.5% rispetto a w-v-d=400 mm, che a sua volta è superiore del 2.2% dal confronto col caso w-v-d=600 mm. Si nota quindi che valori più piccoli della distanza tra LW e parete, comportano alti valori dell’umidità relativa a causa del più ridotto flusso d’aria nell’intercapedine.
Per quanto riguarda i limiti di questa ricerca è stato chiarito dal team di ricercatori che i risultati ottenuti possono essere stati sensibilmente influenzati dalle condizioni meteorologiche, cambiando di giorno in giorno, anche a causa del breve periodo di acquisizione dei dati. Sulla base quindi di tale considerazione lo studio ha rilevato un effetto refrigerante del living wall nei confronti dell’ambiente interno relativamente modesto. Questo fenomeno potrebbe dipendere da diversi fattori:
• il living wall interessa solo la facciata ovest, mentre le altre guadagnano calore;
• il laboratorio ha un coefficiente di forma (rapporto tra l’area della superficie esterna totale esposta all’aria ambientale e il volume dell’edificio) piuttosto alto (2.4) dovuto alle sue dimensioni limitate. Lo spazio interno viene riscaldato tanto più velocemente quanto più grande è il coefficiente di forma;
• la parete ad Ovest è stata progettata per avere alti valori della resistenza termica e dell’inerzia termica. L’aspettativa originale era che il risultato dell’esperienza potesse essere applicato alle pareti di normali edifici. Tuttavia l’utilizzo di valori così elevati potrebbe aver “coperto” l’effetto refrigerante del living wall. Se la parete ad Ovest fosse stata progettata con un basso valore di resistenza termica il LW avrebbe mostrato migliori benefici in termini di riduzione del consumo energetico.
In base alle impostazioni dell’esperimento, l’effetto di raffreddamento del living wall appare più visibile sulla superficie esterna del muro e relativamente più debole sulla temperatura interna.
Conclusioni
Questa ricerca ha esaminato il comportamento termico dei living wall in un clima caldo e umido attraverso tre serie di esperimenti. Particolare attenzione è stata rivolta all’indagine relativa alle qualità termiche del microclima tra la superficie della parete e il LW. Le risposte date dall’esperienza includono:
• l’effetto refrigerante prodotto dal LW: la temperatura della superficie esterna della parete è ridotta fino ad un massimo di 20.8°C, la temperatura della superficie interna della parete è ridotta fino ad un massimo di 7.7°C e la temperatura dell’aria interna è ridotta fino ad un massimo di 1.1°C;
• l’ambiente termico del microclima tra LW e parete: l’aria del microclima risulta più fresca rispetto a quella dell’ambiente. Il LW è lo strumento che sottrae calore all’aria ed alla parete. L’intercapedine d’aria è la fonte di calore che porta all’interno calore dall’aria dell’ambiente;
• la perdita di calore della parete esterna verso il microclima, attraverso la combinazione di scambio per convezione e irraggiamento;
• il LW non incrementa l’umidità relativa media nello strato d’aria, comparando l’aria ambientale. L’aria nell’intercapedine, pur influenzando direttamente la superficie del muro, non porta maggior umidità all’interno dello spazio interno;
• il LW con intercapedine sigillata ha un impatto migliore in termini di capacità di raffrescamento, rispetto al caso di ventilazione naturale, ma l’umidità nello strato d’aria è maggiore;
• il LW funziona meglio in termini di refrigerazione quando si trova ad una distanza limitata dalla parete, ma la quantità di umidità nello strato d’aria è maggiore.
6.2. RICERCA SPERIMENTALE SULLE PERFORMANCE ENERGETICHE DEI LIVING
WALL IN UN CLIMA TEMPERATO
In questo studio2 vengono messi a confronto tre prototipi di living wall (che saranno
contraddistinti dalle lettere “a”, “b” e “c”), ognuno dei quali installato in tre differenti località del Nord e Centro Italia, caratterizzate quindi da un clima di carattere mediterraneo temperato:
• living wall a: triplo strato di feltro fissato su fogli di PVC, supportati a loro volta ad una struttura in alluminio; lo strato esterno di feltro è dotato di tasche in cui sono inserite piante sempreverdi o stagionali. Tra la facciata dell’edificio e il living wall è presente una intercapedine d’aria aperta;
• living wall b: medesima struttura della tipologia precedente, con la differenza che sullo strato esterno di feltro è direttamente seminata dell’erba e che l’intercapedine d’aria è chiusa;
• living wall c: pannelli in polipropilene riciclato supportato da una struttura in alluminio; manto erboso seminato all’interno di incavi fissati nel substrato composto da terreno. Intercapedine aperta.
Lo studio è stato condotto con l’obiettivo di valutare la differenza di temperatura tra ogni sistema di verde verticale ed una parete priva di tale tecnologia e di stimare il comportamento del flusso termico; sono state effettuate inoltre comparazioni tra i tre casi di studio. Di seguito vengono riportate le analisi nel dettaglio.
Living Wall a
Le misurazioni sono state effettuate su un prototipo di 3 m x 3 m, installato su una parete orientata a Sud-Ovest nel comune di Lonigo (45°23’ N) in provincia di Vicenza (figura 6.2.1).
Fig. 6.2.1: il prototipo living wall a.
2 Cfr. U.Mazzali-F.Peron-P.Romagnoni-R.M.Pulselli-S.Bastianoni, Experimental investigation on the energy
Il primo strato di feltro consente il passaggio dell’acqua tra il pannello in PVC e lo strato stesso, il secondo permette la propagazione delle radici delle piante ed il terzo ha una funzione meccanica di supporto durante il radicamento delle essenze vegetali, divenendo un’unica struttura compatta con le radici. Sopra al living wall è presente un sistema di irrigazione con tubazioni flessibili, mentre alla base si trova una vasca di raccolta dell’acqua in eccedenza.
La parete di sostegno non ha isolamento ed è composta da blocchi in calcestruzzo di 40 cm di spessore con intonaco su entrambi i lati.
Le principali essenze vegetali scelte sono: Juniperus communis Sedum spurium, Geranium sanguineum, Geranium Johnson’s blue, Anemone sp., Viva minor, Parthenocissus tricuspidata, Heuchera micrantha Palace Purple, Salvia nemorosa, Lonicera pileata, Pittosporum tobira, Rosmarinus officinalis, Alchemilla mollis, Bergenia cordifolia, Oenothera missouriensis, Plumbago capensis.
Il periodo di monitoraggio si è protratto dal 6 luglio al 21 settembre 2011.
Sono state posizionate sonde sia sulla parete vegetale che su quella non rivestita in corrispondenza di 4 differenti sezioni: due di queste poste a 0.75 m di altezza e le rimanenti a 2.25 m; in queste ultime è stato inoltre installato un flussometro (figura 6.2.2).
La tabella 6.2.1 elenca un sommario delle sonde utilizzate e della loro accuratezza:
Variabili microclimatiche
monitorate Accuratezza sonda
Temperatura superficiale ±0.2°C Temperatura aria esterna e
umidità relativa
±0.18°C di accuratezza a 25°C per la temperatura e ±2.5% dal 10% al 90% per l’umidità relativa
Velocità dell’aria ±0.05 m/s° Temperatura aria esterna e
umidità relativa
0.4-0.45°C di accuratezza a 20°C per la temperatura e ±3% da 25°C per l’umidità relativa
Flusso termico ±5%
Radiazione solare ±20W/m2 di errore direzionale
Le variabili sono indicate come di seguito: ■ Temperatura superficiale: STB, STLW
■ Temperatura dell’aria: AT ■ Umidità relativa dell’aria: ARH ■ Velocità dell’aria: AV
■ Flusso termico: HFB, HFLW
■ Radiazione solare: SR
Le variabili sono indicate come di seguito: ■ Temperatura superficiale: STB, STLW
■ Temperatura dell’aria: AT ■ Umidità relativa dell’aria: ARH ■ Velocità dell’aria: AV
■ Flusso termico: HFB, HFLW
■ Radiazione solare: SR
Tab. 6.2.1: sommario sonde ed accuratezza.
Nell’arco del periodo di monitoraggio sono stati scelti particolari giorni caratterizzati da valori significativi delle variabili climatiche:
• 20 settembre 2011: giorno con la radiazione solare più forte (4338 Wh/giorno); • 18 settembre 2011: giorno con la radiazione solare più debole (732 Wh/giorno).
Un’ analisi iniziale mostra che le differenze di temperatura alle varie altezze dove sono posizionate le sonde non risultano significative, non eccedendo 1.5°C durante i giorni con cielo sereno. Ulteriori indagini sono state condotte per la valutazione della temperatura superficiale tra la parete con living wall e quella non rivestita. La figura 6.2.3 mostra la tendenza della differenza di temperatura oraria tra quella misurata sulla superficie esterna della parete spoglia (STB,2) e del
Living Wall (STLW,1). Un valore positivo di DeltaT indica che la temperatura esterna della parete
non rivestita è superiore rispetto alla tipologia di confronto. Risulta particolarmente chiara la dipendenza con la radiazione solare: in particolare si raggiunge una differenza di temperatura tra i 12°C e i 20°C nelle giornate soleggiate e valori più bassi, intorno ai 5°C, nei giorni nuvolosi. Durante le ore notturne la parete nuda tende a raffreddarsi maggiormente rispetto alla superficie coperta di circa 2°C-3°C.
Fig. 6.2.3: differenza di temperatura tra parete non rivestita (ST,B2) e parete con living wall
a (ST,LW1) in dipendenza della radiazione solare.
Per quanto riguarda il flusso termico, dalla figura 6.2.4 risulta chiaro quanto sia importante l’effetto protettivo della parete vegetale, sia in termini di energia entrante (valori positivi) che uscente (valori negativi), dato che, nel caso di parete rivestita il flusso (HFLW) oscilla tra -18 W/m2
e 30 W/m2, contro i -90/+100 W/m2 dell’altro caso (HFB). Tale effetto schermante si traduce in una
drastica riduzione di energia proveniente dal Sole, ma ciò è dovuto anche al fenomeno dell’evapotraspirazione (che può rimuovere dalla parete fino a 100 W/m2 di calore) e
all’assorbimento delle radiazioni solari da parte delle piante (considerando un coefficiente di assorbimento per le piante intorno a 0.4 si può considerare un assorbimento delle radiazioni solari tra 380 nm e 780 nm). Tutto ciò provoca una differenza tra il flusso termico uscente dalla parete rivestita con un living wall ed una priva di tale sistema nell’ordine del 70-80%.
Fig. 6.2.4: comportamento del flusso termico per la parete non rivestita (HF,B) e la parete con living wall a (HF,LW).
Living Wall b
Le misurazioni sono state effettuate su un prototipo di 3 m x 3 m, installato su una parete orientata a Sud-Ovest a Venezia (45°26’ N), illustrato in figura 6.2.5.
Il sistema è composto da una struttura in alluminio che sostiene un pannello in PVC e un tappeto verticale di erba specialmente adatta a crescere in tale direzione, della specie Zoysia, uniformemente seminata sullo strato di feltro.
La parete di supporto del living wall, priva di isolante termico, è composta da mattoni forati ed intonaco esterno ed interno per uno spessore complessivo di 40 cm.
La figura 6.2.6 mostra il posizionamento delle sonde per la misurazione della temperatura superficiale, del flusso termico e di altre variabili microclimatiche.
Fig. 6.2.6: posizione sonde living wall b e parete nuda.
Il periodo di monitoraggio si è protratto dal 5 luglio alla seconda metà di settembre 2012. Nell’arco del periodo di monitoraggio sono stati scelti due particolari giorni:
• 9 settembre 2012: giorno con la radiazione solare più forte (4341 Wh/giorno); • 3 settembre 2012: giorno con la radiazione solare più debole (560 Wh/giorno).
La differenza di temperatura della superficie esterna tra le due tipologie di parete raggiunge i 16°C come dimostra la figura 6.2.7.
Durante le ore notturne la parete non rivestita tende a raffreddare la propria superficie esterna in maniera superiore rispetto al caso del living wall, anche grazie al fenomeno emissivo di trasmissione del calore verso la volta celeste; questa temperatura è 6°C più bassa rispetto a quella corrispondente alla parete coperta.
Fig. 6.2.7: differenza di temperatura tra parete non rivestita (ST,B2) e parete con living wall
b (ST,LW3) in dipendenza della radiazione solare.
L’analisi del flusso termico mostra che durante i giorni con alti valori di radiazione solare il flusso di calore entrante attraverso la parete nuda è maggiore di quello corrispondete al living wall e ciò testimonia i benefici di carattere energetici di tale tecnologia di rivestimento. I parametri nei giorni con cielo sereno variano da un massimo di 6 W/m2 e 6.2 W/m2, ad un minimo di -9.7 W/
m2 e -11.2 W/m2, rispettivamente per il green wall e la parete semplice (fig. 6.2.8).
Fig. 6.2.8: comportamento del flusso termico per la parete non rivestita (HF,B) e la parete
Living Wall c
Le misurazioni sono state effettuate su una parete in provincia di Pisa, a San Giuliano Terme, esposta ad est, lunga 10.80 m e alta 2.80 m non isolata, formata da blocchi in calcestruzzo, per uno spessore complessivo di 30 cm. Il sistema verde era composto da 126 pannelli di polipropilene riciclato (60cm x 40 cm), come mostrato in figura 6.2.9, dotati di differenti tipi di erba (Zoysia matrella ‘Zeon’, Zoysia tenuifolia, Zoysia japonica ‘El Toro’, Cynodon dactylon X Cynodon trasvalensis ‘Patriot’ Stenotaphrum secondatum, Dicondra, Paspalum vaginatum, Cynodon transvalensis). Circa il 15 % dei pannelli sono stati volontariamente lasciati privi di vegetazione, al fine di riprodurre una parete priva di rivestimento vegetale.
Fig. 6.2.9: il prototipo living wall c.
Sono state posizionate 9 sonde per la misurazione della temperatura superficiale (in corrispondenza del living wall naturalizzato con la Dicondra) sulla superficie esterna, sulla superficie interna, all’interno dell’intercapedine d’aria e adiacenti al terreno sottostante al manto erboso. Altre quattro sonde sono state installate sulla parete scoperta. La posizione di tali strumenti è indicata in figura 6.2.10.
Il periodo di monitoraggio si è protratto dal 10 settembre all’1 ottobre 2009.
Nell’arco del periodo di monitoraggio sono stati scelti due particolari giorni caratterizzati da opposte condizioni climatiche (massima e minima radiazione solare):
• 12 settembre 2009: giorno con la radiazione solare più forte (4404 Wh/giorno); • 16 settembre 2009: giorno con la radiazione solare più debole (552 Wh/giorno).
La figura 6.2.11 mostra chiaramente che durante le ore dei giorni più caldi le temperature della parete spoglia risultano superiori a quelle registrate nel caso di presenza di rivestimento vegetale, con differenze che raggiungono i 12°C. Durante la notte il comportamento si inverte e la parete spoglia si raffredda maggiormente (la differenza di temperatura raggiunge i -3°C). Nel caso di giornate nuvolose il trend non cambia, anche se, come prevedibile, la differenza di temperatura è meno marcata (2°C).
In questo caso non sono state effettuate misurazioni del flusso termico, ma è stata fatta una stima del valore di tale grandezza, al fine di ottenere una comparazione con gli altri due casi di studio.
Fig. 6.2.11: differenza di temperatura tra parete non rivestita (ST,B1) e parete con living
Comparazione tra le tre tipologie di living wall
La tabella 6.2.2 mostra come in generale la differenza tra temperatura superficiale tra pareti non coperte con sistemi vegetali e strutture che si avvalgono di tale soluzione sia significativa e come in alcuni casi raggiunge valori superiori ai 20°C.
Radiazione totale nei giorni di Sole [Wh/giorno]
Radiazione totale nei giorni nuvolosi [Wh/giorno] Δt superf. nei giorni di Sole Δt superf. nei giorni nuvolosi Caso di studio A Caso di studio B Caso di studio C 4338 4341 4404 732 560 552 20 16 12 5 1 2
Tab. 6.2.2: comparazione tra la differenza delle temperature superficiali per i vari casi di studio.
La riduzione della fluttuazione della temperatura comporta importanti benefici in termini di prolungamento della vita dei materiali, che risultano soggetti ad un minore stress termico; ciò si manifesta prevalentemente nelle giornate con cielo sereno, mentre in caso di cielo coperto la differenza di temperatura è fortemente assottigliata.
L’analisi del flusso termico rappresenta una valida soluzione al fine della comparazione energetica tra le tre tipologie di verde verticale. Prima di tale paragone è stato effettuato un confronto tra i valori misurati e quelli calcolati, per il living wall a e per il living wall b. Per ottenere i valori di calcolo di tale grandezza è stata utilizzata l’equazione:
q
= hΔT
Il coefficiente h viene dalla somma della componente di trasferimento radiativa (hr) e
convettiva (hc), calcolate in accoro alla UNI ISO 6946/2008:
h
c,est= 4 + 4v
h
r=
ε 4σT
3
m
Per il caso di studio A l’equazione del flusso termico è stata modificata, introducendo il contributo della radiazione solare:
h: coef. di trasmissione del calore sulla superficie interna o esterna [W/m2 K]
ΔT: differenza di temperatura tra la superficie interna o esterna e l’aria dell’ambiente circostante [°C]
v: velocità del vento [m/s]
ε: emissività superficiale (convenzionalmente 0.9) σ: costante di Stefan Boltzmann
Tm: temperatura media termodinamica delle
q
= hΔT +
α
vSR
Dalla figura 6.2.12 è possibile osservare i risultati di questa comparazione preliminare che mostra una buona corrispondenza tra valori misurati e valori calcolati del flusso termico, soprattutto nel caso A.
Fig. 6.2.12: comparazione tra flusso termico monitorato e calcolato per i living wall A e B.
La figura 6.2.13 e la tabella 6.2.3 mostrano i risultati della comparazione finale tra il flusso termico che ipoteticamente passa attraverso i tre tipi di living wall.
Fig. 6.2.13: comparazione tra i flussi termici dei tre living wall monitorati durante un giorno di Sole.
αv: coefficiente di assorbimento solare
SR: radiazione solare incidente sulla superficie esterna del muro [W/m2]
Flusso di calore entrante [Wh/m2] LW Flusso di calore uscente [Wh/m2] LW Flusso di calore entrante [Wh/m2] BW Flusso di calore uscente [Wh/m2] BW Bilancio totale [W/m2] LW Bilancio totale [W/m2] BW Caso A Caso B — 31 -87* -68 46* 54 -16* -78 -87 -37 30 -23
Tab. 6.2.3: comparazione tra flusso termico monitorato e calcolato per i living wall A e B (*valore ipotetico).
Come si nota dal grafico c’è un tipico comportamento termico comune ai tre casi in cui è identificabile un flusso di calore uscente (negativo) dalla parete nelle ore intermedie del giorno durante le quali la radiazione del Sole raggiunge valori alti. In tutti i casi analizzati le pareti sono massicce e questa caratteristica potrebbe spiegare lo sfasamento temporale rispetto all’azione della radiazione solare. Il picco di flusso entrante infatti si registra durante le ore notturne e la radiazione solare è al suo massimo durante le ore centrali del giorno. Durante la notte il flusso è positivo, tranne nel caso A.
Se fosse eseguito un bilancio termico giornaliero, come nella tabella soprastante, sarebbe possibile notare come il flusso termico uscente nel caso di living wall A e B sia predominante, rispetto al caso di parete spoglia. Per il caso C il bilancio totale è nullo, ma ciò potrebbe essere spiegato prendendo in considerazione l’ambiente al di là della parete, non controllato da un sistema di condizionamento come negli altri due casi (perciò i risultati del bilancio termico del caso C non vengono riportati in tabella 6.2.3, considerandoli privi di informazioni significanti). Comunque il comportamento del flusso termico nel caso C mostra la medesima tendenza ed è conforme con i casi di studio A e B.
La prevalenza di flusso termico uscente è un vantaggio significativo durante la stagione estiva perché corrisponde ad una riduzione del carico di condizionamento e, di conseguenza, dei consumi energetici.
Conclusioni
Questo studio ha dimostrato come il comportamento termo-fisico per pareti dotate di living wall sia fortemente dipendente dall’azione della radiazione solare e come tale tecnologia comporti effetti benefici in termini di riduzione della temperatura superficiale esterna (da un minimo di 12°C ad un massimo di 20°C per i giorni con cielo sereno; 1°C-2°C nei giorni nuvolosi). Inoltre le pareti vegetali hanno dimostrato di essere efficaci contro l’ingresso del flusso termico all’interno degli edifici, risultando una valida ed interessante alternativa per limitare i consumi energetici in termini di condizionamento estivo.
6.3. STUDIO SPERIMENTALE DELLE PRESTAZIONI TERMICO-ENERGETICHE DI
UNA PARETE VEGETALE ISOLATA SOTTO CONDIZIONI ESTIVE IN UN CLIMA
MEDITERRANEO CONTINENTALE
In questa ricerca3 è stato condotto uno studio relativo alla riduzione della richiesta di
energia per un edificio, collocato in una zona con clima mediterraneo continentale caldo e umido, dotato di sistemi vegetali in facciata. Uno degli obiettivi era la comparazione dell’uso di energia di due prototipi sperimentali in una giornata estiva, differenziati dal fatto che la facciata Ovest di uno di essi era coperto con un sistema modulare living wall. Gli spazi interni di entrambi i casi di studio erano dotati di medesimi sistemi di aria condizionata che garantivano una temperatura di 24°C nel corso delle 24 ore.
Fra tutti i vari sitemi di parete vegetale in commercio, la tipologia costituita da substrato e vegetazione risulta essere la più efficace dal punto di vista energetico, in base a sperimentazioni eseguite da altri team di ricercatori; il substrato funziona come un materiale naturale con caratteristiche isolanti dovute alla bassa conduttività termica e alla elevata massa termica, mentre la vegetazione riduce gli apporti solari grazie all’alto valore di albedo e al fenomeno dell’evapotraspirazione. Sulla base di queste considerazioni lo studio in esame ha utilizzato come opzione di rivestimento vegetale tale sistema.
Il monitoraggio è stato condotto durante l’estate 2012 (dall’1 luglio al 5 settembre, con tre interruzioni necessarie per la mancanza di rifornimento di energia 08-11/07, 26-31/07 e 06-07/08) su un edificio della città di Colmenar Viejo (40°39’N, 3°45’O), località a 40 km Nord da Madrid. A 100 metri dalla facciata dell’edificio è stata posta una stazione meteorologica al fine di registrare l’irradiazione globale, la temperatura dell’aria, l’umidità relativa e i dati pluviometrici. La tabella 6.3.1 mostra che l’irradiazione orizzontale totale eccede i 900 W/m2 nell’85% dei giorni e i 1000 W/
m2 nel 36%, indicando che l’area è caratterizzata da una elevata radiazione solare.
Irradianza globale massima Irradianza globale massima Temperatura media Temperatura media
Temperatura media Temperatura massima Temperatura massima Temperatura minima Temperatura minima Umidità relativa media Umidità relativa media [W/m2] [W/m2] [°C][°C][°C] [°C][°C] [°C][°C] [%][%] >900 >1000 >24 >28 <22 >35 >30 <17 >21 <25 >35 85% 36% 64% 20% 15% 17% 30% 28% 23% 28% 32%
Tab. 6.3.1: condizioni meteo locali durante il periodo di monitoraggio. Il numero di giorni è mostrato in percentuale in relazione al numero di giorni totali del periodo di monitoraggio.
3 Cfr. F.Olivieri-L.Olivieri-J.Neila, Experimental study of the thermal-energy performance of an insulated vegetal façade
Le temperature giornaliere massime fluttuano tra 24°C e 38°C, essendo sopra i 35°C nel 17% dei giorni e 30°C nel 30% dei giorni. Le temperature giornaliere minime variano tra 10°C e 27°C, essendo inferiori ai 17°C nel 28% dei giorni e sopra 21°C nel 23% dei giorni. Le temperature giornaliere medie sono nella maggior parte dei casi sopra i 24°C, nel 20% dei giorni sono sopra i 28°C e solo nel 15% dei casi sono al di sotto dei 22°C.
L’umidità relativa giornaliera media varia tra il 16% e il 52%, essendo sotto il 25% nel 28% dei casi e sotto il 35% nel 32% dei casi. Non sono stati registrati giorni di pioggia.
Tutti questi dati mostrano in sostanza un clima asciutto, con alte, anche se non estreme, temperature e alte oscillazioni giornaliere medie.
L’edificio ha una pianta rettangolare e tre piani: i primi due di uguali dimensioni (13.8 m x 40 m), mentre il piano superiore (13.8 m x 28.9 m) presenta una terrazza affacciata a sud dove i prototipi sono stati installati integrati alla facciata, che è completamente illuminata dal Sole durante l’intero periodo di monitoraggio. Il prototipo aveva 4 spazi con identiche dimensioni (1.8m x 1.8 m x 2.4 m) e composizione delle chiusure laterali, inferiori e superiori, essendo la sola differenza sulla facciata rivolta a Sud. Questi spazi erano completamente isolati gli uni dagli altri, dato che uno degli obiettivi progettuali era di creare ambienti praticamente adiabatici, quindi tutti i trasferimenti di calore avvenivano esclusivamente attraverso la facciata Sud. Per questa ragione è stato aggiunto uno strato di 0.60 m di polistirene estruso (λ=0.035 W/mK) al pavimento, al soffitto ed ai muri di ogni ambiente, ottenendo una resistenza termica totale di 17.8 m2K/W negli
strati di separazione e 17.2 m2K/W nel pavimento e soffitto (figura 6.3.1).
Fig. 6.3.1: pianta schematica gli ambienti che costituiscono il prototipo di studio.
La ricerca si è focalizzata sull’analisi e la comparazione dei dati termici ottenuti dal monitoraggio di due delle quattro facciate esistenti nel prototipo (figura 6.3.2).
Fig. 6.3.2: le due facciate analizzate
Entrambe le chiusure erano formate da pannelli modulari che includevano i seguenti componenti: cassetta metallica (0.6m x 0.6 m x 0.08 m) contenente il substrato avvolto nel feltro, polistirene estruso (e=0.07 m, λ=0.035 W/mK), struttura di ancoraggio e supporto verticale. La finitura esterna di una delle facciate corrisponde ad uno strato vegetale di sedo, l’altro ad uno strato di feltro con un valore di assorbimento solare di 0.7. Al fine di mantenere il substrato umido, un sistema di irrigazione con goccia è stato aggiunto alla chiusura con finitura vegetale.
Per determinare la conduttività termica del substrato sono stati effettuati test di laboratorio in base agli standard UNE-EN 12667:2002. Sia il substrato asciutto che la capacità di campo del substrato (ossia l’ammontare di umidità del terreno trattenuta in esso dopo che l’eccesso di acqua viene drenata e il tasso di movimento verso il basso è diminuito) sono stati analizzati e i loro rispettivi valori di conducibilità termica sono stati determinati.
La conducibilità termica del substrato asciutto è 0.092 W/m K, mentre per il substrato umido è 0.191 W/m K. La tabella 6.3.2 riassume le caratteristiche principali degli strati che formano le facciate.
Parete non rivestita Parete non rivestita
Parete non rivestita Parete con green wallParete con green wallParete con green wall
Spessore λ R Spessore λ R [m] [W/m K] [m2 K/W] [m] [W/m K] [m2 K/W] Rse 0,40 0,130 Acciaio galvanizzato 0,0010 50 0,0060 0,0010 0,0060 Feltro in poliestere 0,0015 250 0,0060 0,0015 0,0060 Substrato asciutto 0,080 0,090 0,870 - - -Substrato Capacità di campo - - - 0,080 0,109 0,420 Feltro in poliestere 0,0015 250 0,0060 0,0015 0,0060 Acciaio galvanizzato 0,0010 50 0,0060 0,0010 0,0060 Polistirene estruso 0,070 0,035 2,000 0,0700 2,000 Rsi 0,130 0,130 Resistenza termica totale 3,051 2,691
Tab. 6.3.2: caratteristiche principali degli strati che formano le facciate.
È stato osservato che entrambe le facciate rispettano i valori di trasmittanza termica stabiliti dai regolamenti in forza per le zone climatiche D spagnole (U=0.66 W/m2 K). Il valore di
0.13 m2 K/W della resistenza superficiale esterna della facciata è stato innalzato. Questo valore è
superiore al valore standard della resistenza esterna superficiale, dato che le piante garantiscono una resistenza termica aggiuntiva, come indicato da diverse ricerche precedenti.
L’uso di una cisterna al livello della facciata permette la ri-circolazione della soluzione di drenaggio, ottenendo un sistema chiuso, ottimizzando e razionalizzando l’uso dell’acqua.
I dati termici ottenuti per la facciata e analizzati in questo lavoro sono stati: • la temperatura superficiale del pannello sul lato esterno (Tse);
• la temperatura superficiale della chiusura tra il materiale isolante e il pannello (Tsb);
• la temperatura superficiale del materiale isolante sul lato interno (Tsi);
• la temperatura dell’aria in prossimità del soffitto (Tc);
• la temperatura dell’aria in prossimità del pavimento (Tf);
• il flusso termico (TF).
Essi sono stati registrati ad intervalli di 5 minuti (grazie a termoresistenze e sensori per il calcolo del flusso, schematizzati in figura 6.3.3) e annotati in un foglio di calcolo che riportava
data e tempo. Il software di acquisizione dei dati era in grado di rappresentare graficamente i valori istantanei. Il grafico poteva includere la congiunzione delle sonde che si desiderava rappresentare ad ogni momento, così come la selezione in un periodo di tempo.
Fig. 6.3.3: sezione schematica del prototipo e posizione delle termoresistenze e dei sensori del flusso termico.
Per determinare l’influenza dello strato vegetale sulle performance termiche di un rivestimento isolato di un edificio è stata effettuata una comparazione relativa ai dati termici ottenuti dalla parete vegetale e dalla parete priva di rivestimento.
I risultati più importanti riguardanti i valori di temperatura misurati nei differenti strati della parete e all’interno dei moduli sono i seguenti:
• temperature minime e massime registrate ogni giorno; • riduzione della temperatura dovuta al rivestimento vegetale; • massimo ritardo temporale della temperatura in ogni modulo; • gradiente di temperatura di entrambe le pareti.
La figura 6.3.4 mostra le temperature minime registrate durante ogni giorno per la parete priva di rivestimento: la temperatura dell’aria esterna (T0, min) e le temperature dell’aria interna,
in prossimità del soffitto (BWTc, min) e del pavimento (BWTf, min), la temperatura della superficie
esterna del pannello (BWTse, min) e la temperatura della superficie interna del materiale isolante
Fig. 6.3.4: temperature minime registrate nel modulo privo di vegetazione.
La figura 6.3.5 riporta le temperature corrispondenti agli stessi sensori per la parete vegetale. Dalle temperature superficiali esterne (BWTse, min e GWTse, min) poteva essere osservato
come in entrambi i casi la temperatura superficiale esterna minima del pannello fosse più bassa della temperatura minima dell’aria esterna (T0, min). Nonostante ciò le differenze nei moduli con
vegetazione sono più alte dei moduli senza di essa.
Infatti nel modulo non rivestito (BW), la differenza tra temperatura dell’aria esterna e la temperatura superficiale esterna del pannello (BWTse, min) fluttua tra 2°C e 5°C nel 95% dei casi
(figura 6.3.6). Tuttavia in un modulo rivestito (GW), questa differenza è in media più alta del risultato precedente, con più di 5°C nel 36% dei casi e considerevolmente più variabile. In alcuni giorni la differenza registrata era di solo 1°C, mentre in altri giorni la differenza raggiunge picchi di 8-9°C (figura 6.3.6).
Fig. 6.3.6: differenze tra la temperatura minima dell’aria esterna (To, min) e la temperatura
minima della superficie esterna registrate per entrambi i moduli (To, min – BW Tse, min;
To, min – GW Tse, min).
Sembra chiaro che la superficie esterna della parete vegetale risente l’influenza sia dell’umidità del substrato che dalla sua variabilità. Di conseguenza le differenze tra le temperature minime che sono state registrate nell’aria esterna e nella superficie esterna (T0, min - GWTse, min)
sono abbastanza variabili. Nella maggior parte dei casi, le differenze registrate tra la superficie esterna della facciata di riferimento e l’aria esterna sono più alte (T0, min - BWTse, min). Il fatto
che la facciata di riferimento ha una performance molto più stabile è probabilmente dovuto al numero minore di variabili in gioco.
Riguardo le temperature interne, può essere notato (figura 6.3.4) che nel modulo senza vegetazione le temperature (BWTsi, min; BWTc, min; BWTf, min) sono significativamente più alte
della temperatura dell’aria esterna (T0, min).
Nella figura 6.3.7 può osservarsi che la differenza tra la temperatura dell’aria esterna (T0,
min) e la temperatura superficiale interna del modulo senza vegetazione (BWTsi, min) varia tra
-10°C e -4°C. Nel modulo con vegetazione la differenza è significativamente più bassa, includendo casi dove le minime temperature interne (GWTsi, min; GWTc, min; GWTf, min) sono simili alla
Fig. 6.3.7: differenze tra la temperatura minima dell’aria esterna (To, min) e la temperatura minima della superficie interna registrate per entrambi i moduli (To, min – BW Tsi, min; To, min – GW Tsi, min).
In caso di moduli senza vegetazione (figura 6.3.4), le tre temperature interne (BWTsi, min;
BWTc, min; BWTf, min) sono molto simili e variano tra 19°C e 30°C, essendo nella maggior parte
dei casi sopra ai 25°C. In caso di moduli con vegetazione (figura 6.3.5) le tre temperature interne (GWTsi, min; GWTc, min; GWTf, min) seguono lo stesso schema ma senza coincidere. La
temperatura superficiale interna (GWTsi, min) è in media più bassa di 1°C rispetto alla temperatura
dell’aria misurata vicino al pavimento (GWTf, min) e più bassa di 2°C rispetto alla temperatura
dell’aria misurata vicino al soffitto (GWTc, min). Le temperature interne (GWTsi, min; GWTc, min;
GWTf, min) fluttuano tra 15°C e 26°C, essendo al di sotto dei 25°C nel 90% dei casi. La
temperatura superficiale interna (GWTsi, min) non supera mai i 25°C. Può essere osservato come
l’uso delle piante riduce il range di temperatura tra le superfici esterne ed interne delle facciate, e può dedursi che l’aggiunta di vegetazione produce un miglioramento nelle condizioni ambientali per gli occupanti durante la stagione estiva.
Il grafico corrispondente alla temperature più alte (figura 6.3.8) mostra come, in caso di moduli privi di vegetazione, la temperatura superficiale esterna (BWTse, max) è molto elevata,
variando tra 38°C e 63°C, e considerevolmente superiori alla massima temperatura esterna dell’aria (T0, max). Infatti, osservando le differenze tra temperatura massima esterna dell’aria e
temperatura superficiale massima esterna (T0, max - BWTse, max), può essere notato che la
Fig. 6.3.8: temperature più alte registrate nel modulo privo di vegetazione.
Fig. 6.3.9: differenze tra le massime temperature dell’aria esterna (To, max) e le massime
temperature superficiali esterne registrate per entrambi i moduli (To, max – BW Tse, max;
Tuttavia, in caso di moduli vegetali era ottenuta la situazione opposta: la temperatura massima superficiale esterna (GWTse, max) è nella maggior parte dei casi minore della massima
temperatura dell’aria esterna (T0, max). Tale condizione si verificava in quasi tutte le circostanze,
ad eccezione di alcuni giorni alla fine di agosto ed all’inizio di settembre, quando la temperatura superficiale esterna (GWTse, max) è più alta della temperatura dell’aria esterna (T0, max). Questi
risultati mostrano che le superfici vegetali sono capaci di prevenire il riscaldamento della facciata, garantendo un effetto refrigerante dovuto all’ombreggiamento delle piante e il raffrescamento evaporativo.
Come conseguenza delle temperature massime ridotte registrate sulla superficie esterna delle facciate, le temperature massime registrate sulla superficie interna della facciata (GWTsi, max)
sono anch’esse abbastanza basse. La differenza media tra la più alta temperatura dell’aria esterna e la più alta temperatura superficiale interna (T0, max - GWTsi, max) è 6.8°C con picco a 12°C
(figura 6.3.10). Riguardo al modulo senza vegetazione la differenza (T0, max - BWTsi, max) è
negativa in alcuni casi e, quando positiva, è approssimativamente 6°C o 7°C più bassa del caso del modulo dotato di vegetazione (figura 6.3.10).
Fig. 6.3.10: differenze tra le massime temperature dell’aria esterna (To, max) e le massime
temperature superficiali interne registrate per entrambi i moduli (To, max – BW Tsi, max;
Fig. 6.3.11: temperature massime registrate nel modulo con vegetazione.
La figura 6.3.11 mostra come, durante l’intero periodo di misurazione, la temperatura superficiale interna nel modulo con vegetazione (GWTsi, max) è minore di 30°C e, nel 50% dei
casi, minore di 25°C. Le più alte temperature dell’aria all’interno dei moduli (GWTc, max; GWTf,
max) seguono la stessa tendenza delle più alte temperature superficiali (GWTsi, max), fluttuando
tra 20°C e 30°C durante l’intero periodo. Solo la temperatura dell’aria misurata vicino al soffitto (GWTc, max) oltrepassa i 30°C in quattro circostanze.
In contrasto, osservando il grafico delle temperature più alte dei moduli privi di vegetazione (figura 6.3.8) può essere notato che le temperature interne più alte (BWTsi, max,
GWTc, max; GWTf, max) non scendono mai sotto i 25°C. Inoltre, in approssimativamente il 50% dei
casi, queste temperature sono superiori a 30°C, con picchi di 35°C, corrispondendo alla temperatura superficiale interna (GWTsi, max) e alla temperatura dell’aria misurata vicino al soffitto
(BWTc, max). Questi risultati mostrano che la facciata vegetale può essere usata come una
strategia di raffrescamento passiva. Inoltre, dopo avere osservato che la temperatura più alta della superficie esterna registrata per la parete vegetale (GWTsi, max) è in media 5°C inferiore della
temperatura superficiale più alta registrata nella parete scoperta (BWTsi, max), possiamo
concludere che l’uso di facciate verdi negli edifici potrebbe provocare una riduzione delle temperature operanti, favorendo il comfort degli utenti grazie alla realizzazione di una strategia passiva.
Le figure 6.3.12 e 6.3.13 mostrano rispettivamente che la riduzione di temperatura raggiunge il picco nelle superfici interna ed esterna delle facciate a causa della parete vegetale. Tali riduzioni dei valori massimi indicano l’effetto refrigerante dovuto alle piante. Durante il
periodo di misurazione, la riduzione di temperatura dei valori massimi nella superficie esterna (figura 6.3.12) varia tra 15.1°C e 31.9°C, con un valore medio di 25.1°C.
Fig. 6.3.12: riduzione del picco giornaliero delle temperature sulla superficie esterna della parete dovuta all’effetto della vegetazione.
Fig. 6.3.13: riduzione del picco giornaliero delle temperature sulla superficie interna della parete dovuta all’effetto della vegetazione.
Questi risultati mostrano l’impatto positivo delle pareti vegetali sulla riduzione della temperatura superficiale degli edifici.
Sulla facciata interna (figura 6.3.13) la differenza tra temperatura di picco registrata nel modulo senza vegetazione e nel modulo rivestito con vegetazione decresce in relazione alla facciata esterna. Ci sono fluttuazioni tra 4.5°C e 8.2°C, con una temperatura media di 6.4°C.
Si può notare che la temperatura media dell’aria nel modulo con vegetazione è 4.1°C più bassa rispetto al caso di modulo non rivestito; in più questa temperatura rimane 1.5°C al di sotto della temperatura media dell’aria, mentre nel modulo senza rivestimento la temperatura media interna rimane 2.6°C sopra la temperatura media dell’aria esterna.
Analizzando le temperature medie durante le ore del giorno e della notte (tabella 6.3.3) si può osservare che la temperatura media interna è più bassa di quella esterna nel primo caso in entrambi i moduli. Nel modulo con vegetazione questa differenza è 4.7°C mentre nell’altro caso la differenza è solo 0.5°C. Di notte la temperatura interna media dei moduli è in entrambi i casi più alta della temperatura media esterna dell’aria; nel modulo con vegetazione la differenza è 1.8°C mentre nell’altro caso raggiunge gli 8°C.
Aria esterna Aria interna (GW) Aria interna (BW)
[°C] [°C] [°C]
Temperatura media 25.1 23.6 27.7
Temperatura media diurna 27.9 23.2 27.4
Temperatura media notturna 21.9 23.7 27.9
Tab. 6.3.3: temperature medie dell’aria esterna e interna.
Per quanto riguarda l’effetto della vegetazione nello sfasamento temporale della temperatura di picco nella facciata interna in relazione al picco di temperatura massimo registrato sulla facciata esterna, sono stati scelti due periodi di 4 giorni ciascuno, a metà luglio ed alla fine di agosto, caratterizzati dai massimi valori di irradianza (tra 497 W/m2 e 515 W/m2 nel primo caso
e tra 664 W/m2 e 773 W/m2 nel secondo caso) (figura 6.3.14).
D'altra parte, prendiamo due periodi con valori massimi di irradianza all'interno di diversi range per poter valutare l'influenza del valore di tale grandezza nello slittamento dell’onda termica.
La tabella 6.3.4 mostra che durante i giorni di luglio il picco massimo di irradianza è registrato tra le 15:30 e le 15:45. Approssimativamente un’ora dopo viene registrato il picco massimo di temperatura sulla superficie esterna della facciata priva di vegetazione, mentre le temperature più alte sulla superficie esterna della facciata con vegetazione vengono registrate circa 3 ore dopo il picco di irradiazione.
Fig. 6.3.14: valori di irradiazione e temperatura registrati tra il 12 e il 15 luglio e tra il 28 e il 31 agosto in entrambi i moduli.
Giorno Picco irrad. BWTse, max BWTsi, max GWTse, max GWTsi, max
[W/m2] [°C] [°C] [°C] [°C] 12/07 15:30 16:30 19:00 19:00 21:00 497.1 46.3 29 23.3 23.3 13/07 15:30 16:15 18:30 18:30 21:00 500.9 50.5 29.9 27.1 23.5 14/07 15:30 15:15 18:15 18:30 21:00 515.2 49.4 29 26.7 23.5 15/07 15:45 14:45 19:15 18:30 21:00 503.8 48.7 29.4 27.3 22.0
Tab. 6.3.4: picco di irradiazione sulla superficie verticale rivolta a Sud e massima temperatura superficiale esterna (Tse, max) e interna (Tsi, max) per entrambi i moduli
