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Bioclimatica ed efficienza energetica

Ottimizzare l'uso delle risorse ambientali per la progettazione architettonica

Lo studio dell'ambiente e la necessità di utilizzare i materiali e le risorse naturali disponibili sul luogo sono stati degli strumenti fondamentali per garantire il benessere delle persone e il risparmio energetico. In ciascuna area climatica sono stati sviluppati degli accorgimenti progettuali mirati a questo fine che, nel corso dei secoli, sono diventati elementi consolidati nel sapere dei progettisti.
Nell'epoca della crisi petrolifera, i principi dell'architettura naturale sono stati codificati all'interno di una nuova disciplina progettuale, la progettazione bioclimatica, che nasce dall'utilizzo consapevole e rispettoso del clima per migliorare le condizioni di benessere e di vita dell'uomo. Il termine è legato alle parole greche bios e klimia che significano rispettivamente vita e clima. Pertanto, la bioclimatica indica la disciplina che studia i principi, le tecniche, i metodi e i criteri per garantire ottime condizioni di vivibilità in relazione alle caratteristiche climatiche del luogo.
Recentemente, i criteri di ottimizzazione delle risorse naturali sono stati ripresi e reinterpretati per dare vita alla "bioclimatica di nuova generazione", una disciplina che unisce l'impiego di misure passive con materiali e tecnologie innovative.
La progettazione di un organismo architettonico con criteri passivi implica l'ottimizzazione delle risorse ambientali.
Le variabili progettuali della bioclimatica riguardano:
• posizione dell'edificio rispetto al sole
• orientamento dei locali rispetto agli assi cardinali;
• posizione dell'edificio rispetto alla direzione dei venti prevalenti;
• forma dell'edificio;
• colori utilizzati;
• tipologia di involucro edilizio;
• presenza di verde;
• presenza di acqua.
 
Le prestazioni energetiche dell'edificio sono influenzate dalla posizione, dall'orientamento e dalla forma che interagiscono direttamente con le componenti ambientali del luogo, legate alla ventilazione, alla radiazione solare, alla temperatura, all'umidità relativa e alla presenza di vegetazione.
Il posizionamento dell'edificio nel lotto dovrebbe permettere di ottimizzare le forzanti ambientali, in particolare l'azione del sole e del vento. Per poter sfruttare la componente termica e luminosa dell'energia solare è necessario dare uguale accesso al sole ai diversi ambienti interni. Nel corso della storia dell'architettura sono stati numerosi gli studi sull'orientamento ottimale dell'edificio, tra i quali si possono citare l'asse eliotermico (asse di orientamento verticale che riceve la stessa energia sulle due facce durante l'anno) e l'asse equisolare (asse orientato verso nord est-sud ovest).
Per garantire il massimo irraggiamento delle facciate esposte a sud anche durante il solistizio invernale è opportuno anche distanziare le costruzioni. La scelta della posizione migliore nelle zone pianeggianti può essere fatta utilizzando un diagramma che descrive i percorsi solari proiettando la volta celeste su un piano orizzontale, per una determinata latitudine. Nelle zone montane i versanti esposti a sud sono più favoriti dalla radiazione solare, mentre quelli a nord ricevono la radiazione con una intensità molto bassa. La bioclimatica suggerisce anche gli orientamenti ottimali dei locali per garantire il benessere microclimatico. Gli ambienti che richiedono un riscaldamento continuo dovrebbero essere localizzati sui fronti meridionali, quelli da raffrescare sui lati settentrionali e gli altri possono essere esposti a est e a ovest.
Un secondo elemento da considerare riguarda la direzione e l'intensità del vento che, colpendo l'edificio provocano una sovrapressione sul lato sopravento (che incontra il vento) e una depressione su quello sottovento (lato da cui il vento si allontana). Nelle zone calde è utile sfruttare il potere raffrescante della componente ventilativa, incanalando con opportuni meccanismi il vento all'interno dell'edificio. Molto usati in questo senso sono la presenza di filari d'alberi, l'altezza differenziata delle finestre e la presenza di camini di ventilazione. Al contrario, nelle zone fredde è opportuno posizionare l'edificio in condizioni di "ombra di vento", ovvero di assenza di vento. In questo caso possono essere anche utilizzate delle barriere murali o vegetali per schermarne l'ingresso.
La forma compatta, caratterizzata cioè da un basso rapporto tra la superficie disperdente e il volume racchiuso dall'involucro, limita le dispersioni termiche dell'edificio. Molti studi hanno dimostrato che, rispetto a forme articolate, è possibile ottenere risparmi energetici del 20-30% e migliorare le condizioni di comfort termico, acustico, visivo e olfattivo degli ambienti interni, senza comportare costi aggiuntivi.
 
La forma compatta consente di ridurre le dispersioni energetiche dell'edificio 

 
Il colore ha un ruolo centrale nella progettazione: le tonalità scure esposte a sud possono superare anche di 20-40°C le temperature medie radianti raggiunte dai colori chiari. I colori scuri, infatti, assorbono e ri-emettono una grande quantità di radiazione solare (visibile ed energetica), provocando un aumento della temperatura superficiale dei corpi e il surriscaldamento delle zone d'aria più prossime. Al contrario, le tonalità chiare riflettono grandi quantità di radiazione solare, evitando guadagni solari incontrollati.

Il colore influenza le proprietà di captazione solare di una parete 

 
L'involucro edilizio è uno strumento essenziale per impedire i guadagni termici indesiderati, favorire la dispersione del calore interno nella stagione estiva e, durante tutto l'anno ottimizzare l'impiego della luce naturale. Per aumentare le prestazioni termiche delle pareti opache e per rispettare i limiti imposti dalla legislazione nazionale è necessario prevedere buone prestazioni di isolamento termico delle pareti che separano gli ambienti posti a livelli omogenei. Analogamente, per avere adeguate condizioni di comfort estivo (o nei climi caldi) è opportuno progettare pareti con una elevata inerzia termica, una grandezza che indica la capacità che ha un materiale di ritardare la trasmissione del calore e di immagazzinare energia termica. L'accumulo di energia nella massa dell'edificio consente anche di spostare i picchi di domanda dell'impianto di climatizzazione nelle ore in cui l'uso degli ambienti è limitato. Nei climi freddi, la massa termica contribuisce a immagazzinare il calore proveniente dalla radiazione solare durante la giornata e a mitigare le condizioni serali e notturne.
La progettazione dell'involucro trasparente deve essere pensata in funzione dell'area climatica di riferimento. Nelle zone a clima freddo devono essere inserite finestrature principalmente sui lati sud e ovest per sfruttare il guadagno solare mentre nei climi temperati le superfici vetrate devono essere inserite a sud, est e ovest ed è opportuno prevedere idonei sistemi di schermatura. Infine, nei climi caldi e secchi le superfici vetrate devono avere piccole dimensioni e devono essere poste in posizione alta a est e nord perevitare la radiazione riflessa dal suolo mentre nei climi caldi e umidi prevale l'esigenza di una buona ventilazione e pertanto sono preferibili finestre a nord e sud che permettono di sfruttare la ventilazione incrociata.
 
Sfruttamento della ventilazione naturale nella progettazione bioclimatica (© MCA Archive) 

 
La presenza di vegetazione è fondamentale per garantire la sostenibilità ambientale in quanto assorbe l'anidride carbonica liberando ossigeno, produce vapore, regola l'evaporazione dell'acqua piovana, filtra le polveri inquinanti, scherma la radiazione solare e riduce l'effetto "isola di calore" facendo abbassare la temperatura del suolo e dell'aria. Il verde può essere utilizzato per ombreggiare, per canalizzare il vento, per abbattere l'inquinamento acustico e per migliorare la salubrità dell'aria.
 
La presenza di vegetazione consente di aumentare l'inerzia termica delle coperture 

 
Infine, l'acqua rappresenta una risorsa importantissima da risparmiare, da recuperare e da sfruttare nella progettazione bioclimatica. In quest'ultimo caso si ha la mitigazione termica degli ambienti interni, in quanto l'aumento dell'umidità relativa presupporne la diminuzione della temperatura. Per questa ragione è sempre stata sfruttata all'interno di patii, giardini ed atri di climi caldi come elemento di raffrescamento passivo.  
 
Fitodepurazione dell'acqua 

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