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La ventilazione naturale in edilizia

Vantaggi della ventilazione naturale per garantire il raffrescamento passivo degli edifici

Lo sfruttamento delle risorse ventilative naturali costituisce un ottimo strumento per garantire il raffrescamento passivo degli edifici, specialmente nei climi caldi e nelle stagioni estive. In pratica, il movimento e il rinnovamento dell’aria, che sono tanto maggiori quanto più consistenti sono le differenze di temperatura e pressione tra l’interno e l’esterno, sottraggono calore alle strutture edilizie per convezione termica. I fenomeni avvengono in modo naturale, senza l’impiego di ventilatori meccanici o il consumo di energia. Questa strategia, oltre a garantire dei benefici refrigerativi, consente anche di migliorare la qualità, la purezza e la freschezza dell’aria.
La progettazione deve porre particolare attenzione a una serie di elementi che influiscono direttamente sulle caratteristiche del microclima di progetto, ovvero:

  • ambiente naturale;
  • tessuto urbano;
  • orientamento dell’edificio in funzione della posizione del sole e della direzione prevalente dei venti;
  • caratteristiche dell’involucro edilizio.

Le caratteristiche dell’ambiente naturale che interagiscono con lo sfruttamento della componente ventilativa riguardano la posizione geografica, la fascia climatica di appartenenza, i parametri meteorologici, la morfologia e i materiali del luogo. In particolare, è utile conoscere la posizione altimetrica, la vicinanza con mari o fiumi, la distanza dai rilievi che possono creare ombreggiamento o modificare il regime dei venti, la clivometria misurata come la pendenza media rispetto all’orizzontale, l’orientamento dei pendii, il regime dei venti, la pressione atmosferica, la natura del suolo, la presenza di verde e di acqua nel sito. Gli ultimi tre parametri possono essere utilizzati per incrementare le differenze termiche e pressoriche tra le varie parti all’edificio.

La posizione e la densità del tessuto urbano influiscono direttamente sulle ombre, sui venti e sulle temperature locali. In particolare, i tessuti compatti fanno convogliare la ventilazione naturale, potenziandone gli effetti di raffrescamento passivo.

Infine, la corretta progettazione dell’involucro edilizio consente di sfruttare la differenza di pressione creata dalla ventilazione. Il vento, infatti, quando colpisce l’edificio provoca una sovra-pressione sul lato sopravento e una depressione su quello sottovento. Per sfruttare questo effetto naturale, le finestre devono essere poste su fronti contrapposti, dotate di differente dimensione (la finestra sopravento deve avere una dimensione inferiore) e altezza.

Atrio per lo sfruttamento dell’illuminazione e della ventilazione naturali

 

Principi fisici di base

Il passaggio dell’aria attraverso l’involucro edilizio è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura e di pressione dell’aria tra ambiente interno ed esterno. I sistemi di raffrescamento passivo sono basati sui seguenti principi fisici:

  • effetto camino ottenuto per differenza di temperatura dell’aria;
  • raffrescamento ventilativo, basato sull’effetto Venturi e ottenuto per differenza di pressione dell’aria;
  • convogliamento del vento tramite canalizzazioni appositamente create;
  • raffrescamento convettivo che sfrutta i benefici della ventilazione notturna;
  • raffrescamento evaporativo ottenuto per evaporazione dell’acqua in presenza di vento.

Cavedio per incanalare la ventilazione naturale


Ventilazione per effetto camino

L’effetto camino riguarda la variazione naturale del livello di pressione e di densità dell’aria provocata dal gradiente termico tra l’interno e l’esterno che, a sua volta, genera un movimento dell’aria che procede dalla zona ad alta verso quella a bassa densità. Normalmente, le differenze di pressione in un’abitazione aumentano con l’altezza e con la differenza di temperatura tra interno ed esterno. Quando l’aria viene riscaldata, infatti, si dilata in proporzione all’incremento della sua temperatura assoluta: l’espansione produce una diminuzione del suo peso specifico e fa salire l’aria verso l’alto.I piani più bassi, generalmente sono più freddi e si trovano in condizioni di depressione, mentre quelli più alti, che hanno un temperatura più elevata a causa della convezione naturale dell’aria, possono essere in una condizione di sovra-pressione. Pertanto, l’effetto camino identifica la normale tendenza invernale dell’aria calda (più leggera e meno densa) di salire verso l’alto e di uscire dalle zone a debole tenuta inserite nella sommità dell’edificio e dell’aria fredda (più pesante e più densa) di entrare dalle zone in prossimità del basamento per sostituire l’aria dispersa. In estate, quando l’aria esterna ha una temperatura maggiore di quella interna, il fenomeno si manifesta in senso opposto. Maggiore è la differenza di temperatura tra le masse d’aria, maggiore è la differenza di pressione che si genera e la velocità del movimento verticale dell’aria.

L’effetto camino può essere sfruttato per raffrescare in modo naturale creando una differenza di altezza nelle aperture, che devono essere ombreggiate per fare abbassate la temperatura. Il modo più semplice per sfruttare questo effetto è ottenuto attraverso elementi edilizi a sviluppo verticale, come camini di ventilazione, vani scala, atrii, chiostine e cavedi climatici. Il fenomeno può essere massimizzato dalla radiazione solare incidente sulla superficie esterna del camino, che porta all’incremento della temperatura dell’aria e quindi della spinta ventilativa. L’effetto può essere anche aumentato tramite la presenza di ventilatori all’interno dei camini di ventilazione. Nelle versioni più innovative, l’elettricità è prodotta da pannelli fotovoltaici ubicati nella copertura dell’edificio.


Raffrescamento ventilativo

Il raffrescamento passivo può essere ottenuto anche sfruttando l’effetto esercitato dalla pressione del vento sull’edificio. Il lato orientato perpendicolarmente alla direzione prevalente dei venti, infatti, è esposto a una pressione maggiore (sovra-pressione) rispetto a quello contrapposto (depressione). L’aria entra dalle aperture poste sulle pareti ad alta pressione, muovendosi attraverso l’edificio fino a raggiungere il lato a bassa pressione, dove viene espulsa. In questo caso è possibile sfruttare l’Effetto Venturi secondo cui quando un fluido si muove in modo stazionario, al variare della sezione di passaggio variano la velocità e la pressione del moto. In particolare, al decrescere della sezione, si ha un aumento della velocità del flusso e dell’energia cinetica e una diminuzione della pressione. L’efficacia della ventilazione naturale dipende dalla portata dell’aria oraria prodotta dal differenziale di pressione che si determina tra l’ambiente interno ed esterno (gradiente anemologico). Questo differenziale è influenzato da diverse variabili, che comprendono i dati climatici di sito, i rapporti di forma dell’edificio, la posizione e la dimensione delle aperture, la rugosità generale del terreno e la presenza di ostacoli lungo la direzione prevalente del vento.


Progettazione di un edificio tenendo conto della direzione prevalente del vento (© MCA Archive)

 

Progettazione di un edificio tenendo conto della direzione prevalente del vento e della posizione del sole (© MCA Archive)

Il controllo dei flussi d’aria ai fini del raffrescamento passivo può essere realizzato grazie a una serie di strategie progettuali, che prevendono:

  • attenzione alla localizzazione, ai rapporti reciproci e alla geometria degli edifici, per favorire il movimento e la canalizzazione dell’aria nel lato sopravento e in presenza di canali, strettoie, patii e spigoli. Per massimizzare l’utilizzo della ventilazione naturale è opportuno mantenere una distanza considerevole tra gli edifici, al fine di evitare i regimi di flusso a scia interferente. In alternativa, è possibile collocare gli edifici a scacchiera o in diagonale rispetto alla direzione del vento;
  • inserimento di aperture con altezze, geometrie e dimensioni diverse per ottimizzare la differenza di pressione del vento. In generale, la velocità dell’aria è maggiore quando le aperture in entrata hanno una dimensione inferiore e sono poste più in basso di quelle in uscita, quando hanno una diposizione diagonale oppure quando si ha la ventilazione incrociata;
  • presenza di ostacoli e barriere protettive, come filari d’alberi, siepi, macchie arbustive ed edifici. Il beneficio dipende dalla forma, dall’altezza e dalla porosità della barriera;
  • presenza di deviatori e deflettori esterni, come filari d’alberi, che fanno aumentare la pressione dell’aria e canalizzano il vento nelle aperture. La vegetazione consente anche di abbassare le temperature grazie all’ombreggiamento e all’evapotraspirazione;
  • movimentazione del terreno per favorire la diminuzione della pressione del vento in presenza di avvallamenti e l’accelerazione della velocità dell’aria in presenza di dossi.

La ventilazione deve essere massima durante il giorno, nella stagione estiva, nelle aree maggiormente occupate dagli abitanti. Nei climi caldi e temperati, in estate, il flusso d'aria deve lambire le pareti più massive per favorire la dispersione del calore accumulato. Al contrario, in presenza di venti di forte intensità e di clima freddo è preferibile schermare gli edifici con barriere naturali o schermi. La disposizione urbana degli edifici deve creare ombre di vento diffuse.

 

Convogliamento del vento

La torre del vento è un sistema di raffrescamento passivo utilizzato nei climi caldi ed aridi mediorientali e nordafricani. Grazie alla sua conformazione, riesce a incanalare il vento e a trasportarlo in basso verso i locali da raffrescare nei quali sono inserite delle aperture per creare una corretta differenza di pressione. Per captare la ventilazione naturale, sulla sommità della torre sono inserite delle aperture orientate verso la direzione dominante dei venti. L’aria viene incanalata e trasportata all’interno di cavedi che, per ottenere un abbassamento repentino della temperatura sono caratterizzati da un’atmosfera interna umida che favorisce il raffrescamento evaporativo delle pareti. L’aria viene espulsa attraverso delle aperture oppure viene incanalata in un canale sotterraneo che la fa raffreddare ulteriormente, fino a farla giungere ai locali da raffrescare. Di notte, la massa muraria della torre si raffredda cedendo calore all'aria interna, che si riscalda. Si genera un moto ascensionale dell'aria che, richiamata da aperture poste alla base della torre, favorisce il raffrescamento degli ambienti interni. Di giorno, l'aria calda esterna entra in contatto con la massa muraria della torre e si raffredda, aumentando di densità. In questo modo, scende verso il basso ed entra nell'edificio, provocandone il raffreddamento.

 

Raffrescamento convettivo

Il raffrescamento convettivo sfrutta i benefici refrigeranti della ventilazione notturna, che viene immessa negli ambienti interni per rimuovere il calore accumulato dalle strutture di giorno (sistema passivo diretto). Il sistema è adatto per i climi caratterizzati da una notevole escursione termica giornaliera, quando la temperatura notturna scende sotto la zona di comfort, e di pareti massive che assorbono il calore. La disposizione delle pareti interne e la dimensione delle aperture devono favorire la ventilazione incrociata. Inoltre deve essere definita in maniera corretta la posizione degli infissi tra zone sopra e sotto vento in modo da garantire il moto convettivo dell’aria e l’effetto camino.

Un’innovazione del settore riguarda la realizzazione di sistemi di apertura automatica dei serramenti che regolano il flusso d’aria e la temperatura interna in modo da evitare un eccessivo raffreddamento dei locali. Il sistema, inoltre, consente di ottenere benefici di raffrescamento nella stagione estiva grazie alla regolazione delle guarnizioni e, contemporaneamente, di ridurre le dispersioni per ventilazione in inverno grazie alla riduzione della permeabilità all’aria del serramento, con consistenti benefici anche dal punto di vista del risparmio energetico dell’edificio.

 

Raffrescamento evaporativo

Il raffrescamento evaporativo si basa sullo sfruttamento del potenziale raffreddamento associato all’evaporazione dell’acqua che, durante il cambiamento di stato da liquido a vapore, sottrae calore all’ambiente. Nella trasformazione di fase, le molecole d’acqua immagazzinano una quantità di energia pari al calore latente di vaporizzazione. Questa energia può provenire dalle sostanze poste a diretto contatto, ovvero dall’acqua e dall’aria in prossimità dell’interfaccia. L’utilizzo ottimale di questa strategia prevede la corretta ventilazione degli ambienti per evitare una sovra-umidificazione e, quindi, una diminuzione del beneficio termico. Esempi di applicazione prevedono la predisposizione di specchi d’acqua in patii, atrii e ambienti interni, fontane, cascate, serpentine e pareti d’acqua (raffrescamento evaporativo indiretto) oppure l’uso di getti nebulizzati d’acqua (raffrescamento evaporativo diretto).

 

Creazione di una parete verde per sfruttare i benefici di raffrescamento passivo legati alla ventilazione e all’ombreggiamento solare (© MCA Archive)

 

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