PROGETTARE CON IL CLIMA E IL SOLE. LA BIOCLIMATICA NELLA STORIA

Arch. Valen,na Gianfrate 

Progettazione bioclimatica BIO= vita e quindi attenzione alla vita e al benessere umano; CLIMA= insieme degli aspetti climatici del luogo;

delle risorse rinnovabili (sole, vento, acqua); delle risorse fisico-ambientali del territorio (orografia, vegetazione, terreno).

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PROGETTARE IN FUNZIONE DELLA RELAZIONE CHE C'È TRA UOMO E AMBIENTE

Progettazione “Bioclimatica” Perché?: Perché l’energia prodotta con combustibili crea grandi problemi: 1 - è limitata , 2 – produce Il CO2 è il maggiore imputato dell’innalzamento temperatura terrestre. Come fare per ridurre le emissioni di CO2? Vi sono al momento tre possibilità: 1. Trovare o impiegare fonti di energia rinnovabile non fossile 2. Migliorare l’efficienza dei nostri edifici e delle macchine 3. Accettare una riduzione dei livelli di confort

Conseguenza se non si perseguono i primi due punti Secondo una ricerca dell’Unione Europea il 40% dell’energia consumata è attribuibile agli edifici ed al loro mantenimento (riscaldamento, raffreddamento, illuminazione ed equipaggiamenti elettrici) A questo punto le responsabilità degli architetti sono evidenti!

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La progettazione bioclimatica prevede:  valorizzazione delle componenti naturali, quali

ACQUA, ARIA, LUCE, ENERGIA

  coerenza con le peculiarità del luogo e del contesto ambientale in cui si interviene.

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Le scelte architettoniche e tecnologiche influiscono:  sull'efficienza energetica degli edifici

 s u l l a s a l u b r i t à d e g l i ambienti interni

 s u l b e n e s s e r e d e g l i occupanti. A l c u n i f a t t o r i c h e determinano condizioni di benessere sono: • la qualità dell’aria (purezza, umidità e temperatura), • l’illuminazione, • la presenza/assenza di rumori

La PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA è stata riscoperta intorno agli anni '70 nel momento in cui la crisi energetica portò alle stelle il costo dei combustibili fossili. I concetti bioclimatici, (propri dell'architettura tradizionale), e le tecnologie solari furono viste come una possibile soluzione per ridurre la domanda di energia.

Clima locale 

Materiali da costruzione 

locali 

Cara9eris,che dell’ambiente 

fisico 

Nel passato… L'immenso patrimonio di conoscenze ha condotto, a soluzioni costruttive ingegnose dal punto di v i s t a f u n z i o n a l e e s p e s s o m o l t o significative dal punto di v i s t a e s t e t i c o e simbolico.

ARCHITETTURA VERNACOLARE

L’architettura vernacolare studia gli edifici tradizionali di una data area geografica, e in particolare:  la forma,  la struttura,  il proporzionamento degli spazi,  le aperture  l’orientamento Tutti questi elementi rispondono in generale alle sollecitazioni del clima. L'architettura bioclimatica cerca di sfruttare gli apporti energetici naturali in maniera passiva, prima di ricorrere a impianti tecnologici. Un giusto orientamento dell'edificio verso il sole, una forma compatta dello stesso, un'adeguata disposizione e dimensione delle finestre

risparmiare energia

creare ottime condizioni climatiche interne nel corso di tutto l'anno.

limitare le esigenze energetiche

Trulli Lo spessore delle murature varia da un minimo di 1 mt. ad un massimo di 2,5 mt. La notevole massa muraria offre una forte i n e r z i a t e r m i c a . I l m e c c a n i s m o d i termoregolazione si basa sul fatto che lo spessore del cono, durante il giorno, permette alla muratura di assorbire molto calore e di trattenerlo per poi disperderlo per irraggiamento durante la notte.

Mesa Verde in Colorado (USA) XIII secolo L’ 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. La roccia contro cui si addossa l’insediamento, garantisce anche una grandissima inerzia termica.

Durante l ’ inverno i raggi solari riescono a penetrare molto meglio nelle cavità rocciose, a c c u m u l a n d o , i n questo modo, il calore che viene lentamente r i l a s c i a t o n e g l i a m b i e n t i i n t e r n i durante la notte.

Sassi di Matera Alvei scavati nella roccia, usati primitivamente come cisterne di r a c c o l t a d e l l ’ a c q u a e s u c c e s s i v a m e n t e c o m e abitazioni vere e proprie. Le cavità di questi ipogei penetrano nella roccia fin dove il sole riesce ad illuminare con i suoi raggi.

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L’igloo offre il massimo volume interno e la minima superficie esposta alle azioni ambientali. La neve funziona come isolante trasparente permettendo i l passaggio della luce naturale l imitando nel contempo le dispersioni energetiche

CINA: VILLAGGIO SOTTERRANEO ALTOPIANO DEL LOESS, NORD-EST. Area climatica continentale a clima caldo secco, le abitazioni sotterranee sono ricavate nel loess, una roccia tenera costituita da fango trasportato e depositato dal vento. Non esistono edifici in altezza: le abitazioni sono a una profondità di circa 9 metri e sono accessibili mediante scale a L. Le stanze a volta sono sormontate da oltre 3 metri di roccia, i pozzi-cortili forniscono aria e luce. La grande inerzia termica del terreno sovrastante annulla quasi del tutto il calore eccessivo e le forti escursioni termiche del clima locale. Tale soluzione garantisce una normale vivibilità (le case sono pulite, libere da insetti nocivi, calde d’inverno e fresche d’estate) e non viene sprecato terreno fertile.

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ESO HOTEL Auer+Weber Architetti

Ambiente ostile: assenza di acqua e vegetaz ione, rad iaz ion i so lar i estreme, venti forti e non controllabili, sens ib i le abbassamento de l la temperatura durante le ore notturne, umidità relativa estremamente bassa e possibilità di terremoti.

Soluzione ipogea >>> necessità di ovviare alle radiazioni solari e ai venti. La luce gioca un ruolo importante anche nella percezione degli spazi interni. La struttura è modulare e costituita da piccoli elementi connessi in modo molto flessibile. Il cemento gettato in opera contiene inerti raccolti sul luogo con l'aggiunta di ossido di ferro come pigmento, affinché il colore della costruzione si armonizzi con il paesaggio. I muri di contenimento sono prefabbricati in cemento e le coperture degli spazi collettivi, illuminati in modo zenitale, presentano una struttura metallica e lastre di policarbonato traslucido. La possibilità di un futuro smantellamento della base scientifica è stata prevista attraverso varie forme di "riciclo".

Torri del vento iraniane” (sec. X) Dette “acchiappa vento”, le torri catturano il vento in quota, più veloce e freddo, lo convogliano nei propri condotti verticali formati da un involucro di massa consistente, in modo da impedire il r iscaldamento del l ’ar ia, che passa successivamente in un canale sotterraneo c h e l a r a f f r e s c a m a g g i o r m e n t e , permettendogli poi di giungere nei locali d e l l ’ a b i t a z i o n e d a c l i m a t i z z a r e . L’espulsione dell’aria calda all’interno degli ambienti avviene attraverso le finestre poste in alto. Il flusso d’aria si inverte di notte, per effetto del rilascio del calore assorbito durante il giorno dall’involucro delle torri, che riscaldano l’aria facendola salire, richiamando quella più fredda p roven ien te da i so t te r rane i e d i conseguenza dai locali dell’abitazione.

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EDIFICIO PER UFFICI, RECANATI Mario Cucinella

L’edificio è stato particolarmente studiato per quanto r iguarda la luce naturale e soprattutto la ventilazione. Un grande patio centrale è diventato il locale tecnico. Nel patio vengono convogliati i flussi d’aria, i quali vengono espulsi attraverso lucernari che hanno anche il compito di portare la luce naturale all’interno dell’edificio. Una grande copertura studiata in laboratorio ha permesso di non penalizzare termicamente l’edificio in conseguenza della sua elevata trasparenza. La copertura ombreggia l’edificio d’estate e lo protegge d'inverno, quando il sole è più basso.

Progettazione bioclimatica e comfort

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ll Comfort negli edifici Il benessere può essere considerato come quella condizione psicofisica in cui

un individuo esprime soddisfazione nei confronti del microclima, ossia non ha particolari sensazioni di disagio nello svolgimento delle proprie attività all'interno di uno spazio confinato.

•  il benessere termico e igrometrico; •  il benessere olfattivo (legato alla qualità dell’aria); •  il benessere visivo (relativo all’illuminazione);

•  il benessere psicologico.

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Il benessere termo-igrometrico • parametri fisici: temperatura dell’aria, temperatura media radiante, umidità relativa, velocità dell’aria, pressione atmosferica; • parametri esterni: attività svolta che influenza il metabolismo, abbigliamento; • fattori organici: età, sesso, caratteristiche fisiche individuali;

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a) presenza di ampie superfici particolarmente fredde o calde (ad es. pareti vetrate o soffitti radianti, pavimenti non isolati su porticati) che possono causare scambi termici radiativi anomali tra alcune parti del corpo umano e le superfici suddette b) presenza di correnti d’aria fredda (spifferi) che su alcune zone del corpo, ad esempio la nuca, possono risultare particolarmente fastidiose c) gradienti di temperatura all’interno dello stesso locale

Fattori che provocano Discomfort Locale

 Ricercare condizioni ottimali di equilibrio termoigrometrico nel periodo estivo ed invernale

 Favorire l’equilibrio tra il guadagno termico estivo e quello invernale

 Esporre l’edificio alla radiazione solare nei mesi sottoriscaldati e ombreggiarlo nei periodi surriscaldati

 Ottenere la minima dispersione termica d’inverno e attenuare l’assorbimento di calore in estate

 Ottimizzare l’entità e la velocità dei flussi d’aria sia all’esterno che all’interno degli spazi abitati

 Ottimizzare la scelta dei materiali in funzione delle loro caratteristiche di isolamento e di ritardo termico

Finalita’ di comfort termico

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1. CAPTAZIONE: Dipende dall’involucro, la superficie trasparente, materiali, elemento serra, coefficiente di assorbimento

2. ACCUMULO: Problemi d’inerzia

3. DISTRIBUZIONE: Ripartizione del calore, termo-circolazione

4. CONSERVAZIONE: Messa in opera di spazi protetti, uso di isolanti e superfici vetrate

5. PROTEZIONE: uso della vegetazione come schermo naturale; schermature artificiali, brise soleil

6. DISPERSIONE: Ventilazione naturale e/o artificiale (meccanica)

I 6 concetti di base dell’architettura bioclimatica:

I parametri di riferimento

Caratteristiche climatiche 1 

S

E O

SO SE

N

Protezione da venti invernali

Protezione radiazione

Captazione solare

Protezione radiazione • Analisi climatica

• Studio delle ombre

• Studio dei venti

• …… Interferenze 1.  Valutare la ventilazione naturale dovuta ai flussi dei venti dominanti 2.  Valutare le interferenze degli edifici esistenti sulla illuminazione naturale. 3.  Valutare le interferenze degli edifici esistenti sul soleggiamento invernale.

I parametri di riferimento Caratteristiche fisiche e geomorfologiche 2 

• Relazione con l’acqua •  Relazione con le caratteristiche del terreno

• Relazione con la vegetazione

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QUADRO CONOSCITIVO completo relativo a : - Latitudine - Dati climatici della località( es. Radiazione solare ) - Condizioni locali specifiche ( es. presenza di venti dominanti invernali o brezze estive ) - Orientamento e morfologia dell’area, con dinamica delle ombre - Assetto della vegetazione, con dinamica delle ombre ( tipologia di essenze, densità e posizione rispetto all’area) - Vicinanza di eventuali specchi d’acqua o fiumi e loro posizione rispetto ai venti dominanti e al sito - Forma e dimensioni delle strutture elevate contigue, con dinamica delle ombre nelle diverse stagioni - Vicinanza di superfici verticali riflettenti ( es. involucri vetrati ) - Caratteristiche del suolo ( pavimentazioni assorbenti, impermeabili, riflettenti ecc. )

Analisi Bioclimatica del sito

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QUADRO CONOSCITIVO DEL CLIMA - Latitudine e dati relativi alla radiazione solare : Parametri particolarmente rilevanti nella progettazione di superfici captanti per dispositivi solari attivi (collettori solari termici, campi fotovoltaici). Di norma infatti tali superfici vengono installate con inclinazione sul piano orizzontale pari alla latitudine del sito; le prestazioni energetiche sono proporzionali alla radiazione solare incidente. - Condizioni locali specifiche (es. presenza di venti dominanti invernali o brezze estive): Tali fattori possono influenzare in modo significativo il regime termico degli edifici, aumentando le dispersioni dell’involucro nei mesi invernali e contribuendo al raffrescamento e alla ventilazione naturale degli ambienti nei mesi estivi. QUADRO CONOSCITIVO DELL’AMBIENTE NATURALE - Orientamento e morfologia dell’area, assetto della vegetazione con dinamica delle ombre nelle diverse stagioni La conoscenza di questi parametri consente di determinare con buona approssimazione le potenzialità bioclimatiche di un’ area e conseguentemente valutare in modo attendibile quali strategie specifiche saranno più idonee nella successiva fase progettuale.

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- Vicinanza di eventuali specchi d’acqua o fiumi e loro posizione rispetto ai venti dominanti e al sito Le grandi masse d’acqua, costituiscono generalmente un elemento mitigante per il microclima locale. In particolare nei mesi estivi, l’aria raffrescata e umidificata in corrispondenza di queste superfici può essere convogliata all’interno degli edifici per il raffrescamento passivo delle strutture.

QUADRO CONOSCITIVO DELL’AMBIENTE ANTROPICO - Forma e dimensioni delle strutture elevate contigue, con dinamica delle ombre Il quadro conoscitivo del contesto non può prescindere dalla conoscenza del contesto edificato del sito di intervento, e deve necessariamente essere sviluppato per osservazione diretta, eventualmente con l’ausilio di indagini fotografiche e rilevazioni in loco. Per verificare la dinamica delle ombre sull’area si utilizzano i DIAGRAMMI SOLARI ( Cartografie del percorso apparente del sole in funzione della latitudine )

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ORIENTAMENTO DEGLI EDIFICI NEL LOTTO

•  Valutare l’orientamento e progettare la distribuzione interna per sfruttare il sole in inverno

•  Considerare l’orientamento dell’edificio e la disposizione delle aperture in

funzione dei venti dominanti

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ORIENTAMENTO DEGLI EDIFICI NEL LOTTO

• Prevedere la disposizione degli edifici, secondo la direttrice Est-Ovest con un grado di libertà di +/- 15;

• Le interdistanze fra gli edifici contigui devono garantire, nelle peggiori condizioni stagionali (solstizio invernale 21 dicembre) il minimo ombreggiamento possibile sulle facciate, secondo la costruzione e lo studio delle maschere solari per ottimizzare i guadagni solari negli edifici, (massimizzandoli in inverno e minimizzandoli in estate), migliorando il comfort in entrambe le stagioni e, al tempo stesso, riducendo la domanda di energia per il riscaldamento e il condizionamento;

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• Gli edifici dovranno avere prevalentemente una forma compatta per diminuire le superfici disperdenti: Dovrà essere privilegiato il rapporto Lunghezza/Larghezza prossimo a 1;

• Organizzare la distribuzione interna degli edifici sui lotti per favorire la penetrazione dei venti estivi dominanti e la protezione da quelli invernali

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PROTEZIONE TERMICA IN ESTATE: OMBREGGIAMENTO

Ridurre la riflessione del terreno e delle finestre esposte alla radiazione solare

Sfruttare la conformazione del terreno e le strutture artificiali e vegetazionali per ombreggiare

Orientare gli edifici in modo da ridurre l’esposizione secondo il soleggiamento estivo

Dispositivi di ombreggiamento

Utilizzo di materiali che riflettono il calore

PROTEZIONE TERMICA IN ESTATE: OMBREGGIAMENTO In generale si possono distinguere tre tipologie di protezione solare: 1. sistemi filtranti (come ad esempio tende) 2. sistemi schermanti (ad esempio sistemi a lamelle) 3. sistemi oscuranti (tapparelle, persiane, etc.)

OMBREGGIAMENTO. Esempi Ridurre la riflessione del terreno e delle finestre esposte alla radiazione solare

Sfruttare la conformazione del terreno e le strutture artificiali e vegetazionali per ombreggiare

Dispositivi di ombreggiamento