Tecnologie impiantistiche per gli edifici sostenibili

Un edificio sostenibile a energia zero ha l’esigenza di produrre energia elettrica per autosostenersi. La tecnologia più diffusa è sicuramente il fotovoltaico, anche grazie agli incentivi statali presenti fino a poco tempo fa. Oggi, spariti gli incentivi e con un panorama legislativo in frequente trasformazione, assistiamo a un rallentamento dell’incremento produttivo, distributivo e installativo dei pannelli fotovoltaici, il cui utilizzo rimane legato all’autoproduzione e all’autoconsumo. Tralasciando la produzione fotovoltaica, trattata recentemente in altri Speciali, ci occupiamo in questo articolo di impianti microeolici.

Gli impianti microeolici, purché correttamente dimensionati, risultano adatti ai fabbisogni energetici sia di abitazioni private, che di utenze commerciali e agricole di piccole dimensioni, ma soffrono dei vincoli paesaggistici imposti dai vari comuni.

I sistemi di generazione dell’energia elettrica che sfruttano l’azione del vento per produrre energia elettrica e che possono esser utilizzati in ambito civile si dividono sostanzialmente in due macro categorie.

MICROEOLICO
AD ASSE VERTICALE	AD ASSE ORIZZONTALE
Sono impianti eolici di piccola taglia di potenza (fino a 20 kW) che permettono di realizzare sistemi autonomi (stand-alone) di solito impiegati per utenze isolate o per piccole applicazioni particolari, ma anche impianti connessi in rete (grid-connected).	Sono gli impianti maggiormente conosciuti e sono i più riconoscibili, anche dai meno esperti. Piuttosto simili nella forma a un comune ventilatore domestico, sono composti da un aerogeneratore, pale di dimensioni massime intorno ai 3 metri, un timone posteriore per gestire i mutamenti direzionali delle correnti e un’altezza dal suolo inferiore ai 20 metri, ma superiore solitamente ai 6.

I generatori ad asse verticale non hanno bisogno di orientamento, in quanto offrono al vento la superficie utile in un arco di 360°, si azionano a piccole velocità del vento e hanno una maggiore resistenza alle alte velocità dei venti e alla loro turbolenza. Lo scarso ingombro e la compattezza li rendono una soluzione interessante per condomini, per edifici con tetti e per piccoli terrazzi.

I generatori ad asse orizzontale, invece, assomigliano a dei "mulini a vento". Possono essere orientati tramite una deriva posta "a valle" delle pale, in modo che queste possano essere sempre posizionate perpendicolari al vento, di facile inserimento in qualsiasi tipologia di territorio, sono particolarmente adatti alle aree agricole.

Rispetto al fotovoltaico, entrambe le tipologie possono produrre energie elettrica anche durante le ore notturne senza la necessità di avere batterie di accumulo dell’energia prodotta, e trovano applicazione anche nelle località scarsamente soleggiate. Di contro, invece, sono difficilmente applicabili e non redditizie nelle aree a scarsa ventosità.

I micro generatori eolici sono macchine semplici e robuste, in grado di funzionare autonomamente senza la necessità di alcun intervento esterno e richiedono mediamente due interventi all'anno di controllo e manutenzione, ad un costo pari a circa il 2-3% dell'investimento complessivo.

L’installazione di un impianto microeolico richiede particolare attenzione e una accurata analisi delle condizioni di contorno dell’edificio in cui lo stesso verrà collocato. È evidente, infatti, che la presenza di altri edifici, che riducano l’indice di ventosità medio della località, potrebbe ridurre drasticamente il rendimento di tali impianti, a meno di non procedere all’innalzamento degli elementi.

Tecnologie architettoniche per gli edifici sostenibili

Dal punto di vista della progettazione architettonica, vi sono alcune regole semplici ed efficaci che possono essere utilizzare per ridurre al minimo la richiesta di energia per climatizzare o riscaldare un edificio. Molto spesso sono soluzioni tecniche che sfruttano principi apparentemente banali, esito di una razionalità minimale depositata nelle tecniche costruttive locali – le troviamo spesso utilizzate nei paesi poveri, ma non per questo meno efficaci.

TORRI DEL VENTO E VENTILAZIONE NATURALE DIRETTA

Una delle soluzioni più interessanti riguarda lo sfruttamento dell’effetto camino, fenomeno mediante il quale è possibile innescare un movimento di aria attraverso un gradiente termico, creando in questo modo una ventilazione naturale degli ambienti, grazie alla quale è possibile smaltire il calore accumulato all’interno in modo naturale.

È una tecnica architettonica di origine medio orientale, di luoghi nei quali le temperature diurne raggiungono picchi di caldo torrido assai elevato nei mesi estivi e la disponibilità di fonti da cui attingere per poter climatizzare gli ambienti sono basse.

Le torri del vento erano, e sono tutt'oggi, una soluzione eccellente, per raffrescare un edificio passivamente, cioè senza utilizzare in alcun modo l’energia prodotta da fonti esterne.

È un sistema di climatizzazione naturale ed efficiente che, ancora oggi, è in grado di garantire il controllo del microclima anche in edifici di ridotte dimensioni, come possono essere le normali abitazioni, senza ricorrere ad altre apparecchiature quali condizionatori o sistemi similari.

Le torri del vento si dividono fondamentalmente in due gradi categorie, come rappresentato nella schema seguente:

TIPOLOGIA DI TORRI DEL VENTO
A CONVEZIONE	A CONVEZIONE ED EVAPORAZIONE
Queste torri del vento sono le più semplici e garantiscono un flusso di aria continuo, grazie al movimento dell’aria generato dalla differenza di temperatura che porta a una differenza di pressione tale da garantire la fuori-uscita di aria calda dalla sommità dell’edificio e una conseguente immissione di aria dovuta alla depressione che tale flusso genera.	Questo tipo di torre si differenzia rispetto a quella semplice a convezione: l’aria lambisce uno specchio d’acqua realizzato nel terreno in modo tala da sfruttare la temperatura costante dello stesso, con l’obiettivo di abbassare la temperatura dell’aria stessa prima di attraversare i locali da climatizzare, secondo il principio del raffreddamento adiabatico.

La ventilazione naturale e l’effetto camino risultano essere efficaci se vengono realizzate delle aperture nella parte alta dell’edificio, a cui vengono contrapposte aperture nella parte inferiore dello stesso.

Esiste però un altro modo per poter sfruttare la ventilazione naturale, che consiste nel realizzare delle aperture alla stessa altezza (per esempio sullo stesso piano), contrapposte tra di loro e posizionate sulle pareti corrispondenti alla direzione prevalente dei venti relativi al sito in cui si andrà a realizzare l’immobile.

Anche nel caso in cui tali aperture siano realizzate su pareti ortogonali alla direzione del vento, dato che la ventilazione interna dipende dalla differenza di pressione che si instaura fra due parti dell’edificio, il flusso d’aria si sposterà dalla zona a maggior pressione (area sopravento) verso quella in depressione (area sottovento). Installando deflettori esterni perpendicolari alla direzione dei venti prevalenti, è possibile generare uno stato di sovrappressione/depressione in prossimità di aperture esistenti.

Come evidenziato nello schema a lato, in prossimità dell’apertura A si crea una zona di depressione conseguente all’azione del vento sull’aggetto. I flussi d’aria, infatti, incontrando il deflettore, creano su di esso una zona di sovrappressione cui corrisponde, sul suo lato opposto, una zona a pressione inferiore.

Viceversa, in corrispondenza dell’apertura B il vento, grazie alla presenza del deflettore, genera uno stato di sovrappressione. La compresenza dei due aggetti consente quindi un naturale movimento dei flussi d’aria all’interno dell’ambiente, dalla zona a pressione maggiore (B) verso la zona in depressione (A). Nello schema proposto, si esamina il caso più semplice di un unico vano; per poter sfruttare al massimo tale principio in edifici più complessi si dovrà progettare le partizioni interne in modo da consentire ai flussi d’aria di spostarsi dalla zona B a quella A, riducendo conseguentemente l’energia richiesta per la climatizzazione.

LE SERRE SOLARI

Le serre solari sono elementi edilizi in grado di accumulare energia termica attraverso la realizzazione di un volume supplementare con ampie superfici vetrate, mediante le quali è possibile sfruttare il sole per riscaldare ed illuminare gli ambienti in modo naturale e gratuito.

Rappresentano un metodo semplice e diretto di risparmio energetico nell’edilizia, ottenibile anche attraverso la chiusura di balconi, terrazze, logge e porticati. Per poter usufruire di tali benefici e perché si possa parlare di serra solare, è necessario che vengano rispettati alcuni parametri fondamentali tra cui:

•    La serra non deve essere riscaldata dall’impianto di climatizzazione dell’edificio in cui trova collocazione;
•    L’orientamento varia in un arco compreso tra sud–est e sud–ovest;
•    La serra non deve avere ombreggiamenti causati dalla presenza di manufatti e/o piante;
•    La superficie vetrata deve essere prevalente, ossia il rapporto tra superficie vetrata e superficie totale (verticali, orizzontali e inclinate) deve essere almeno pari a 70;
•    Il volume lordo della serra in genere non può superare il 10% del volume riscaldato dell’edificio. Questa percentuale varia a seconda delle specifiche norme comunali ed in alcuni casi si può arrivare ad una percentuale incentivante ammessa del 20%;
•    La serra solare è un elemento che richiede necessariamente dei sistemi di schermatura estiva e superfici vetrate apribili in grado di garantire una ventilazione naturale senza pregiudicare la climatizzazione invernale.

Questo sistema permette di abbattere, se non addirittura annullare, la richiesta di energia termica per lunghi periodi dell’anno, grazie allo sfruttamento dei raggi solari per il riscaldamento dell’ambiente. Nel periodo invernale non è raro che alcuni locali possono essere riscaldati con la sola energia solare.

IL MURO MASSIVO ED IL MURO DI TROMBE

I muri solari sono dei sistemi che consentono di accumulare il calore esterno e trasferirlo all’interno. Ne esistono di due tipologie:
•    i muri massivi;
•    i muri di Trombe.

Le due tipologie di muri si differenziano tra loro per la presenza o meno di aperture. Entrambe le tipologie di muri solari sono costituite da una parete in muratura o calcestruzzo verniciata di nero, sono esposti verso sud e sono separati dall’esterno da una lastra di vetro posta a 10 cm di distanza dal muro.

I muri di Trombe, a differenza di quelli massivi, sono privi di finestre e sono caratterizzati da un’apertura alta e un’altra posizionata nella parte inferiore, da aprire o chiudere a seconda delle stagioni. Oltre al muro vero e proprio, anche la vetrata presenta delle aperture, da tenere sempre chiuse con l’eccezione delle ore diurne dei mesi estivi.

Nelle ore diurne del periodo estivo, le aperture interne vengono chiuse per evitare che l’aria interna si riscaldi raggiungendo la temperatura di quella esterna, mentre è necessario provvedere ad aprire le aperture esterne per consentire all’aria di circolare nell’intercapedine. In modo opposto, invece, durante la notte, le aperture interne restano aperte per consentire all’aria interna di circolare all’interno dell’intercapedine e raffreddarsi a contatto con la vetrata, mentre quelle esterne devono essere chiuse.

Nel periodo invernale, le aperture interne devono essere aperte durante il giorno perché, in questo modo, l’aria fredda interna, che si accumula in prossimità del pavimento, viene aspirata nell’intercapedine, dove si riscalda a contatto con la parete scura e, attraverso l’apertura superiore, rientra quindi nell’ambiente. Durante la notte, le aperture interne resteranno chiuse per evitare che l’aria interna, a contatto con la vetrata fredda, si raffreddi. Le aperture esterne, sia di giorno che di notte, in inverno devono essere sempre chiuse.
 

GLI ULTIMI RITROVATI TECNOLOGICI

Il settore delle costruzioni è in continua evoluzione e nell’intento di rendere un edificio totalmente autonomo ed indipendente, si cercano nuove soluzioni volte ad azzerare la richiesta energetica per il riscaldamento e la climatizzazione estiva.

Per quanto riguarda il condizionamento e l’avvento della stampa 3D, è stata sviluppata una nuova tecnologia per il settore delle costruzioni, attualmente ancora in fase sperimentale, che potrebbe risultare molto interessante nei prossimi anni. È un sistema progettato dalla Emerging Objects, e si tratta di un mattone in ceramica stampato 3D, che permette il raffrescamento dell’aria negli ambienti chiusi attraverso il principio del raffreddamento evaporativo garantito dalla ceramica porosa di cui sono costituiti.

In realtà tale tecnologia non è nuova, ma fonda le proprie origini nelle mashrabiye, sistema già utilizzato circa 3.300 anni fa nelle zone del Nordafrica e del mondo arabo. Questo sistema è caratterizzato da aperture schermate da una grata in legno, caratterizzata da una trama più o meno fitta che ha la funzione di filtrare la luce solare, ma soprattutto il legno con cui è costruita è in grado di intrappolare l’umidità presente nell’aria che la attraversa durante la notte, per cederlo durante il giorno quando il sole irraggia la superficie.

Utilizzando la stampa 3D è stato possibile creare un mattone costituito da una grata ceramica chiamato “Cool Bricks” che può essere riempito con acqua come fosse una spugna. Quando l’aria calda e secca attraversa le cavità del mattone, assorbe l’acqua per evaporazione trasformandosi in aria umida raffreddata.