Sistemi per il raffrescamento passivo

L’importanza dei sistemi di raffrescamento passivo è dovuta alla rapida crescita del fabbisogno di raffreddamento degli edifici e delle problematiche ambientali, economiche, di salute legate agli elevati consumi elettrici ad esse connesse.

Le strategie che consentono di controllare il surriscaldamento degli edifici si possono sintetizzare in:

• proteggere l’edificio dall’irraggiamento solare;
• controllare l’inerzia termica dei componenti dell’involucro, questa assume un ruolo regolatore attenuando e ritardando le variazioni della temperatura esterna, diminuendo la temperatura media radiante e fornendo migliori condizioni di comfort;
• adottare sistemi naturali di raffreddamento per la ventilazione. La ventilazione naturale agisce sul benessere influenzando il bilancio termico dell’edificio e consentendo di incrementare gli scambi convettivi tra uomo ed ambiente. La ventilazione naturale dà luogo a raffreddamento tramite le correnti d’aria generate da fenomeni naturali come l’azione del vento e l’effetto camino.

Ventilazione naturale e ibrida

La ventilazione rappresenta una aspetto fondamentale nel progetto di un edificio. Mentre in passato la ventilazione veniva prevalentemente considerata in relazione al solo controllo della qualità dell’aria interna, recentemente si è manifestato un crescente interesse nell’uso della ventilazione quale strategia per garantire anche il comfort ambientale nel periodo estivo e nelle stagioni intermedie, limitando il ricorso ai sistemi di refrigerazione in un’ottica di risparmio energetico. L’incidenza della ventilazione (invernale ed estiva) sul fabbisogno energetico annuale di un edificio tende a divenire predominante, anche grazie all’adozione, in edifici di nuova costruzione, di livelli di isolamento termico dell’involucro più elevati, inoltre si osserva una costante crescita della domanda di climatizzazione estiva, sia negli edifici residenziali sia nel settore terziario; inoltre la produzione di energia frigorifera necessaria per la climatizzazione estiva si basa generalmente su macchine azionate elettricamente, per cui la climatizzazione estiva si traduce in un consumo di energia primaria particolarmente costosa.

La ventilazione degli ambienti assolve pertanto due compiti:

• garantire la qualità dell’aria degli ambienti indoor;
• garantire il controllo del comfort riferito anche all’eventuale presenza di correnti d’aria.

Mentre un impianto di climatizzazione di tipo meccanico, purché correttamente dimensionato e gestito, è in grado di garantire il controllo delle condizioni ambientali in qualunque condizione, nel caso dei sistemi di ventilazione naturale è necessario accettare delle fluttuazioni più ampie.
Un ulteriore aspetto del problema è la necessità di un’integrazione spinta fra progetto del sistema di ventilazione e progetto architettonico, sia dal punto di vista della distribuzione e dimensionamento degli spazi interni, sia dal punto di vista del disegno degli elementi di involucro.
Normalmente i sistemi di ventilazione vengono classificati in relazione ai sistemi con i quali sono controllati i flussi d’aria all’interno dell’edificio:

• ventilazione naturale: in questo caso i gradienti di pressione necessari per realizzare l’immissione di aria fresca esterna e l’estrazione di aria interna viziata sono generati esclusivamente da azioni naturali, ovvero dall’effetto dinamico del vento e dai gradienti di densità dell’aria dovuti alle differenze di temperatura interno-esterno. La ventilazione naturale può essere realizzata attraverso l’apertura volontaria dei serramenti, oppure ancora può essere almeno parzialmente controllata tramite l’adozione di specifici accorgimenti quali l’introduzione nell’involucro esterno di bocchette di adduzione dell’aria e l’adozione di dispositivi di estrazione naturale (aeratori, camini, ecc.).
• ventilazione meccanica: è a soluzione impiantistica che consente il movimento dell’aria all’interno dell’edificio attraverso ventilatori ed utilizza una parziale canalizzazione dei percorsi d’aria. In relazione alla funzione volta dall’impianto la ventilazione meccanica si classifica in:
  • ventilazione per estrazione: in cui l’impianto di estrazione aspira l’aria dai locali da mantenere in depressione come i bagni e le cucine, e l’aria esterna, non trattata viene immessa direttamente in ambiente;
  • ventilazione per immissione: in cui l’aria esterna trattata viene immessa all’interno degli ambienti da un ventilatore di mandata mentre l’espulsione avviene per differenza di pressione;
  • ventilazione bilanciata: in cui l’impianto garantisce sia l’immissione sia l’estrazione dell’aria non creando differenza di pressione tra interno ed esterno;
• ventilazione ibrida: ovvero una soluzione intermedia tra la ventilazione naturale e quella assistita da un impianto meccanico; questo entra, infatti, in funzione soltanto quando le condizioni climatiche non sono idonee a garantire portate d’aria adeguate.

Mentre i sistemi di ventilazione puramente meccanica presentano un limitato livello di interferenza con l’edificio, essendo in genere sufficiente garantire spazi tecnici adeguati per il passaggio delle condotte dell’aria e per l’installazione delle unità di trattamento, nel caso della ventilazione naturale e ibrida il progetto deve per definizione integrare l’aspetto architettonico e quello impiantistico: infatti, il movimento dell’aria avviene in larga misura attraverso parti dell’edificio o elementi architettonici specifici quali atri, cavedi, camini, ecc..
I principali sistemi di ventilazione naturale e di raffrescamento ventilativo sono:

• ventilazione passante (orizzontale o verticale);
• ventilazione a lato singolo (singola apertura o apertura multipla);
• ventilazione combinata vento – effetto camino;
• ventilazione ibrida (immissione d’aria a vento ed estrazione assistita da ventilazione meccanica).

Si schematizza di seguito il funzionamento di tali sistemi, ad eccezione di quelli ibridi, con alcune indicazioni sui limiti dimensionali relativi all’efficacia di ventilazione.

Si definisce ventilazione passante orizzontale il flusso d’aria che attraversa uno o più locali, con immissione e uscita dell’aria da aperture collocate su pareti opposte o adiacenti (ma non complanari), collocate alla stessa altezza dal pino di pavimento (in caso di altezze differenti, si aggiunge al vento la componente effetto camino). La portata d’aria realizzabile con tale tecnica è proporzionale all’area netta di apertura, all’angolo di incidenza del vento sul piano dell’apertura e alla differenza di pressione tra le due aperture. Tale differenza è massima per aperture collocate, rispettivamente, quella d’ingresso dell’aria sul lato sovrappressione, e quella d’uscita, sul lato in depressione (generalmente, ciò accade quando le aperture sono collocate su pareti opposte), con angolo d’incidenza del vento compreso tra la perpendicolare e 30°.

La ventilazione a lato singolo è, invece, il ricambio d’aria prodotto in un vano quando vi sono unicamente una o più aperture collocate sulla medesima parete esterna. Il tasso di flusso, in tal caso, è discontinuo e legato prevalentemente ad un effetto di pulsazione dell’aria, dipendente dalle variazioni di velocità e direzione che caratterizzano il vento negli intervalli brevi. La portata d’aria complessiva oraria è generalmente molto ridotta, soprattutto nel caso di una singola apertura. Se le aperture sono più d’una, la portata aumenta: per effetto camino, se esse sono collocate ad altezze diverse; per l’innesco di flusso da vento semi-passante, se le aperture sono collocate alla stessa altezza.
In entrambe le configurazioni, l’efficacia della ventilazione dipende, altresì, dalla profondità del vano libero in rapporto all’altezza del vano stesso e dalla eventuale presenza di partizioni, che aumentano la resistenza al flusso, riducendo ulteriormente la portata d’aria. In figura 1 sono riportate le massime profondità di vano, al di sopra delle quali l’efficacia di ventilazione, per sistemi sia a lato singolo, sia passante, risulta notevolmente ridotta.

Per ventilazione passante verticale, si intende, una tecnica di ventilazione passante, in cui l’immissione dell’aria avviene da un’apertura posta più in alto rispetto a quella di uscita.
Generalmente, il sistema prevede un condotto verticale di immissione che collega l’apertura d’ingresso dell’aria al vano da ventilare (figura 2). L’apertura d’ingresso, il malkaf dell’architettura tradizionale egiziana, deve essere rivolta sopravvenuto, in relazione ai venti dominanti.
Tale sistema è particolarmente adatto in condizioni di vento prevalente relativamente costante, nel periodo caldo, nonché in situazioni di contesto urbano ad alta densità edificata, in cui risulta difficile utilizzare aperture ordinarie (finestre) collocate a livello del vano per l’immissione d’aria, soprattutto ai primi piani fuori terra.
Tale sistema si può trasformare, in assenza di vento, in un sistema ad estrazione naturale per effetto camino, come avviene, di notte, nelle torri del vento iraniane.

Il sistema combinato vento – effetto camino che, tipicamente, combina l’effetto del vento con quello determinato dalla differenza di temperatura dell’aria tra esterno ed interno (effetto camino), è quello in cui si prevede l’immissione dell’aria in zona sopravvento, ad altezza del locale da ventilare, e l’estrazione naturale da un’apertura posta più in alto, all’estremità di un condotto o vano verticale. Quest’ultimo può essere sia una conduttura costruita ad hoc, sia uno spazio con altre funzioni, quale vano-scala o un atrio con aperture apribili in copertura.
Tale sistema può essere concepito sia come specificamente destinato all’estrazione, come nel caso d’utilizzo di vani-scala o atri, sia come la modalità inversa di un sistema in cui sia anche prevista la ventilazione passante verticale, come avviene nella torre del vento iraniana.
Nel primo caso, il vento rappresenta un’agente d’ausilio alla generazione del flusso d’aria, che è determinata prevalentemente dall’effetto camino. Nel secondo caso, la torre, generalmente suddivisa in più condotti interni, funziona, alternativamente, in relazione al periodo e alla presenza, o meno, di vento, come elemento di captazione o di estrazione dell’aria.

Esiste, infine, anche la possibilità di combinazione spaziale, ossia con funzionamento contemporaneo, delle due modalità, come avviene per esempio nel Qa’a egiziano. In tal caso sono necessari due vani verticali per la movimentazione dell’aria: l’uno in immissione (malkaf), con direzione discensionale, l’altro in estrazione (torrino o lanternino), con direzione ascensionale.

L’inerzia termica dell’involucro

Normalmente, la valutazione della dispersione termica delle pareti di un edificio viene eseguita in condizioni di regime stazionario, ovvero ipotizzando che le temperature dell’ambiente interno e di quello esterno siano costanti nel tempo. In tal caso si identifica il parametro “K” trasmittanza termica definita come il flusso di calore che, in condizioni di regime stazionarie, nell’unità di tempo attraversa una parete della superficie 1 m2 in presenza di una differenza di temperatura di 1°C tra l’interno e l’esterno.

In realtà durante la giornata le temperature variano secondo leggi approssimabili a sinusoidi introducendo parametri diversi dal caso di regime stazionario. Di conseguenza è insufficiente basare i ragionamenti in materia di isolamento sull’uso della trasmittanza.

In condizioni di regime stazionario si attribuisce alla resistenza termica la regolazione del passaggio di calore trascurando la capacità termica dell’involucro esterno dovuta a diverse disposizioni dei materiali o al rapporto massa-conducibilità. In realtà i due fenomeni si combinano generando sulla parete l’effetto di inerzia termica.

Come è possibile notare in figura la parete genera uno smorzamento della temperatura, definito come il rapporto adimensionale tra l’ampiezza dell’onda esterna e quella interna.

Si nota inoltre uno sfasamento tra l’onda esterna e quella interna. La parete, infatti, possiede la capacità di ritardare all’interno gli effetti termici esterni. L’azione combinata dello smorzamento e dello sfasamento che la parete garantisce genera un’attenuazione ed un ritardo delle condizioni termiche esterne.

Le schermature solari

Un metodo efficace per il controllo delle condizioni di comfort all’interno degli edifici possono essere assolte dall’utilizzo di adeguate schermature solari che, opportunamente progettate, sono in grado di garantire il corretto soleggiamento nel periodo estivo ed in quello invernale.

Durante l’estate devono impedire il surriscaldamento dell’edificio; in inverno devono permettere il massimo degli apporti solari. Durante tutto il corso dell’anno devono garantire un’ottimale illuminazione evitando fenomeni di abbagliamento.

I sistemi di maggior efficacia sono quelli esterni poiché evitano il surriscaldamento dell’edificio. Tali sistemi essendo esposti agli agenti atmosferici devono possedere caratteristiche di resistenza e necessitano di manutenzione e pulizia.

I sistemi interni, invece, di facile accessibilità e manutenzione possiedono lo svantaggio di far entrare luce diretta negli ambienti che in talune situazioni trasformandosi in calore intrappolato in prossimità delle finestre può generare un micro effetto serra che se non opportunamente valutato può creare discomfort termico all’interno degli edifici. I sistemi parasole possono essere divisi in sistemi fissi e sistemi mobili. I sistemi fissi come i vetri parasole, sporti di gronda, risultano poco adattabili alle diverse condizioni di soleggiamento a differenza dei sistemi mobili, persiane, tende a banda, tende alla veneziana, fogli riflettenti. Sono in fase di studio e sperimentazione materiali con proprietà ottiche variabili (cromogenici), a comportamento passivo (fotocromici), sensibili alla temperatura (termogenici). Anche la vegetazione può essere utilizzata per schermare l’edificio. Le schermature naturali sono costituite normalmente da piante con foglie caduche e piante rampicanti su pergolati. Durante la stagione estiva le fronde ombreggiano l’edificio, mentre in inverno a fronde spoglie consentono il passaggio dei raggi solari permettendo il riscaldamento dell’edificio.