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Capacità di raffrescamento estivo dei manti ventilati in laterizio 

La ricerca presentata in quest'articolo si propone d'individuare un metodo empirico, basato su dati sperimentali di lungo periodo e relativi a differenti edifici, per caratterizzare la “riflettanza equivalente” di coperture ventilate in laterizio, al fine di esprimere efficacemente la loro capacità di raffrescamento passivo.

Cil 177 – Quest’articolo riporta i risultati delle attività di ricerca, a livello sperimentale e analitico, condotte al fine di esprimere, attraverso un indicatore sintetico denominato “riflettanza equivalente” (Re), la capacità dei manti ventilati in laterizio di limitare le temperature raggiunte dalla copertura quando sottoposta a elevato irraggiamento solare.

Tale prestazione nasce dall’efficace sinergia tra le proprietà termiche dei materiali componenti e la configurazione tecnologica delle coperture ventilate in laterizio: la presenza  della ventilazione sottomanto, la permeabilità all’aria degli elementi discontinui (tegole, coppi), nonché le proprietà termiche (conducibilità e capacità termica) e radiative (emissività1, riflettanza2) che caratterizzano le tegole in laterizio.

L’attività di ricerca nasce in riposta ai recenti dispositivi normativi (dm 26/06/2015 “requisiti minimi”3 [1], dm 24/12/2015 s.m.i. “criteri ambientali minimi” [2]) e alle richieste dei protocolli ambientali di certificazione di edifici (Leed, Itaca, ecc. [3-4]) in merito all’utilizzo di manti di copertura capaci di limitare l’effetto isola di calore.

Richiesta che viene tradotta nell’utilizzo di materiali con specifiche proprietà radiative per la
realizzazione dei manti di copertura degli edifici. In particolare, questi suggeriscono, direttamente o indirettamente, l’uso di materiali “a elevata riflettanza” sia per il miglioramento del comfort interno estivo che per la riduzione del fenomeno
“isola di calore urbana”, indipendentemente dal basso livello di trasmittanza termica richiesto oggi ai componenti edilizi – che potrebbe limitare l’efficacia di tale strategia – e anche dalla possibilità di scelte tecnologiche e progettuali differenti.

L’uso di materiali edilizi a elevata riflettanza (materiali “cool”), tipico di contesti costruttivi di origine anglosassone, si è notevolmente diffuso negli ultimi decenni anche in un panorama costruttivo – e climatico – molto diverso come il nostro [5].

Quando esposti alla radiazione solare, tali materiali sono in grado di raggiungere temperature più basse rispetto a materiali analoghi ma con minore riflettanza e conseguentemente trasferire un ridotto quantitativo di calore all’aria circostante [6-8].

Nella letteratura internazionale è consolidata l’efficacia dei materiali di finitura riflettenti per la mitigazione del fenomeno “isola di calore”, tuttavia sono anche evidenti importanti limitazioni nel loro utilizzo.

In primo luogo, la possibile variazione delle proprietà radiative (riflettanza ed emissività) a causa dell’invecchiamento, del deterioramento atmosferico, del deposito di polveri e microorganismi [9-10], riduce la capacità riflettente del materiale nel tempo.

Inoltre, risulta ancora oggetto di un dibattito scientifico aperto il beneficio dell’utilizzo di materiali “cool” su scala annuale, cioè considerando anche gli scambi di calore dell’involucro durante la stagione fredda e, in particolare, gli apporti solari gratuiti che potrebbero
risultare più limitati [11-12].

Tale problematica necessita di maggiore approfondimento, anche considerando le caratteristiche costruttive dell’edificio – in particolare la resistenza termica dell’involucro – e il contesto climatico [13-14].

Tecnologie alternative all’utilizzo di materiali riflettenti, quali l’utilizzo di coperture ventilate e “traspiranti”, possono produrre risultati analoghi in termini di raffrescamento del manto (riduzione delle temperature superficiali), sfruttando materiali e tecniche durevoli e sostenibili.

È infatti nota la capacità di raffrescamento di materiali soggetti a notevoli scambi convettivi, pur con proprietà radiative “intermedie”, come i manti in laterizio di coperture ventilate [14-19].

A questo proposito, la ricerca qui presentata si propone d’individuare un metodo empirico, basato su dati sperimentali di lungo periodo e relativi a differenti edifici, per caratterizzare la “riflettanza equivalente” di coperture ventilate in laterizio, al fine di esprimere efficacemente la loro capacità di raffrescamento passivo.

Stratigrafia delle tipologie di copertura installate nel Caso studio A.

Metodologia della “riflettanza equivalente”

La ricerca estende il metodo di calcolo della “riflettanza equivalente” realizzato su una copertura sperimentale e già descritto in precedenti lavori [20-22], considerando ulteriori casi studio.

Si sono raccolti e analizzati i dati ottenuti con monitoraggi in ambiente esterno di 12 tipologie di coperture ventilate in scala reale, condotti dal gruppo di ricerca nell’ultimo decennio, installate su 3 casi studio: A (fig. 1), B (fig. 2), C (fig. 3).

Le coperture sono caratterizzate da manti in tegole portoghesi o marsigliesi, intercapedini di ventilazione tra i 3 e i 9 cm, solai lignei o in laterocemento.

Stratigrafia della tipologia
di copertura installata nel Caso studio B.

I monitoraggi termici, condotti in periodo estivo, hanno previsto, per questi casi di studio, la raccolta dei dati di temperature superficiali e flussi termici passanti attraverso le coperture, delle principali grandezze climatiche esterne (temperatura, umidità relativa, radiazione solare, velocità e direzione del vento), nonché la misurazione dei valori di riflettanza dei materiali dei manti (Rm). In particolare, nelle coperturedel caso studio A si sono misurati (fig. 4):

1. le temperature sulle superfici dei solai interni,
dell’isolante termico a contatto con l’intercapedine
ventilata, del manto;
2. la temperatura e umidità relativa dell’aria
nell’intercapedine ventilata;
3. il flusso termico passante sull’isolante termico
e sulla superficie interna del solaio;
4. la velocità dell’aria nei condotti di ventilazione.

I dati sperimentali raccolti sulle diverse coperture sono stati utilizzati per ottenere il valore di assorbanza del manto (α) in grado di eguagliare la temperatura del manto misurata durante il monitoraggio e quella ottenuta utilizzando la nota relazione (Eq. 1) tra le grandezze climatiche esterne e la temperatura “aria-sole” del manto (Tas).

Tale valore di α esprime l’opposto della “riflettanza equivalente”:
Re = 1- α: (1)

dove: Te è la temperatura dell’aria esterna misurata;
I è la radiazione solare misurata;
he è il coefficiente di scambio termico superficiale (convettivo hc + radiativo hr);
Fr è il fattore di forma tra il tetto e il cielo [23];
Δθe è la differenza tra temperatura dell’aria esterna e temperatura equivalente del cielo,
considerata pari a 11°C (come da Uni En Iso 13790:2008).

Il valore di assorbanza, e quindi di Riflettanza (Re) del manto è stato calcolato in
particolare sui dati ottenuti durante tipiche giornate estive (elevate temperature esterne e irraggiamento solare), prendendo in considerazione l’intervallo temporale h11.00/15.00 e una radiazione solare sul piano orizzontale superiore a 500 W/m2, così da considerare le condizioni peggiori di sollecitazione termica del manto.

Applicando la procedura a tutte le tipologie di copertura dei diversi casi studio si è quindi ottenuta la distribuzione di frequenza della riflettanza equivalente per ogni tipologia.

Stratigrafie delle tipologie di copertura installate nel Caso studio C.

I risultati

A titolo di esempio, si riporta un grafico comparativo tra la temperatura superficiale del manto misurata e quella calcolata attraverso l’Eq. 1, per la copertura LV6-A del caso studio A (fig. 5).

L’immagine riporta l’andamento delle temperature della copertura e delle grandezze climatiche esterne durante una giornata estiva. Si può osservare una buona rispondenza tra il valore misurato e quello calcolato, soprattutto nelle ore di picco di temperatura e radiazione solare.

I risultati ottenuti, in termini di valore medio e mediano di Re di tutte le coperture, a confronto con i valori di riflettanza dei materiali misurata (Rm), sono riportati in tabella 1. In tabella è anche riportata la deviazione (%) tra la temperatura superficiale del manto calcolata usando i valori mediani di Re su tutto il periodo e la temperatura misurata
puntualmente. Il valore risulta sempre inferiore al 6,5%, evidenziando una buona accuratezza del calcolo effettuato.

Rappresentazione schematica del posizionamento dei sensori per la misura delle grandezze termiche sulle coperture del caso studio A.

Alla luce dei risultati ottenuti è quindi possibile tracciare una curva di correlazione empirica tra i valori mediani di Re e i valori di Rm di coperture ventilate. Tale correlazione, per i casi studio analizzati, è riportata in fig. 6, dove le coperture sono caratterizzate in termini di più elevata o più bassa “capacità dissipativa”, in virtù della loro capacità di ventilazione/traspirazione, data dalle altezze delle intercapedini o dalla geometria degli elementi.

Tale curva permette, alla luce dei valori noti di Rm, e definita una capacità di ventilazione bassa, media o alta, di ottenere una Re della copertura (piuttosto che del singolo materiale), che esprime la sua capacità di raggiungere temperature inferiori del manto, grazie non solo alle proprietà ottiche dei materiali, ma, soprattutto, alle capacità
dissipative della ventilazione sia nel canale che attraverso i giunti tra le tegole del manto.

Conclusioni

I risultati ottenuti con la presente ricerca contribuiscono a dimostrare la capacità di raffrescamento passivo data dalle coperture ventilate in laterizio e, in particolare, la loro capacità di limitare le temperature superficiali raggiunte dal manto
nei periodi a elevata temperatura dell’aria e irraggiamento solare, tipici delle estati nei contesti climatici caldi e temperati.

Tale prestazione è ottenuta anche se i materiali costituenti il manto non sono propriamente qualificati come “cool” e presentano proprietà radiative “intermedie”, ed è essenzialmente
dovuta al raffrescamento convettivo originato non solo dalla ventilazione sottomanto,
ma anche dal passaggio di aria attraverso i giunti degli elementi discontinui del manto.

Quest’ultimo importante aspetto sta negli ultimi anni accogliendo un crescente interesse scientifico, tanto che un progetto europeo, LIFE HEROTILE (LIFE14 CCA/ IT/000939 – www.lifeherotile.eu) si è proposto di migliorare ulteriormente quest’effetto di convezione naturale incrementando la permeabilità all’aria tra le tegole, attraverso una modificazione della forma degli elementi senza una alterazione dell’effetto estetico [24].

La ricerca qui presentata propone di esprimere tale capacità raffrescante delle coperture ventilate in laterizio attraverso un indice, la “riflettanza equivalente”, note le reali proprietà ottiche dei materiali e la “capacità dissipativa” in termini di ventilazione/traspirazione delle coperture (bassa, media, alta).

Tale indice, rappresentando sinteticamente la capacità di raffrescamento passivo del manto, potrebbe costituire un utile riferimento per i progettisti interessati a una progettazione
sensibile alle tematiche energetiche e ambientali.

Marco D’Orazio
Professore Ordinario, Dipartimento di Ingegneria Civile Edile e Architettura, Università politecnica delle Marche

Elisa Di Giuseppe
Ricercatrice, Dipartimento di Ingegneria Civile Edile e Architettura, Università Politecnica delle Marche

Costanzo Di Perna
Professore Ordinario, Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche, Università Politecnica delle Marche

Nikita Cozzolino
Ingegnere, Libero Professionista

Note

1. La emissività di un materiale è la frazione di energia irraggiata da quel
materiale rispetto all’energia irraggiata da un corpo nero alla stessa
temperatura. Assume valori compresi tra 0 e 1. Dipende da fattori quali
la temperatura, l’angolo di emissione, la lunghezza d’onda e la finitura
superficiale del corpo osservato.

2. La “riflettanza” (coerentemente a quanto indicato sui dispositivi di legge)
misura la frazione di radiazione solare incidente che viene riflessa da una
superficie irradiata. Il valore varia tra 0 (per una superficie totalmente
assorbente) e 1 (per una superficie totalmente riflettente). Corpi a elevata
riflettanza, soggetti alla radiazione solare, tendono a non riscaldarsi e
conseguentemente a non riscaldare l’aria circostante.

3. Fa parte dei tre decreti del 26 giugno 2015 sull’efficienza energetica in
edilizia di attuazione della Legge 90/13, pubblicati nella Gazzetta Ufficiale
n. 162 del 15 luglio 2015. I tre decreti vanno a chiudere il recepimento della
Direttiva 31/2010/UE iniziato con il Decreto Legge 63/2013 convertito in
Legge con la Legge 90/13.

4. La “assorbanza” misura la frazione di radiazione solare incidente che viene
assorbita da una superficie irradiata. Il valore varia tra 0 (per una superficie
totalmente riflettente) e 1 (per una superficie totalmente assorbente).

Bibliografia

[1] DM 26/06/15- Adeguamento linee guida nazionali per la certificazione energetica
degli edifici, Gazzetta Ufficiale, 2015. [2] DM 24/12/15 s.m.i. – Criteri ambientali minimi per l’affidamento di servizi di progettazione e lavori per la nuova costruzione, ristrutturazione e manutenzione di edifici pubblici, Gazzetta Ufficiale, 2015. [3] www.gbcitalia.org/page/show/leed-italia–3?locale=it, ultimo accesso 01/09/2018 [4] www.itaca.org/valutazione_sostenibilita. asp#, ultimo accesso 01/09/2018 [5] E. Di Giuseppe, M. D’Orazio, Laterizi ed “Isola di calore”: strategie cool nella tradizione, Costruire in Laterizio 150 (2012) 54-58. [6] M. Santamouris, Cooling the cities – A review of reflective and green roof mitigation technologies to fight heat island and improve comfort in urban environments, Solar Energy 103 (2014) 682-703. [7] I. Hernández-Pérez, G. Álvarez, J. Xamán, I. Zavala-Guillén, J. Arce, thermal performance of reflective materials applied to exterior building components – A review, Energy and Buildings 80 (2014) 81-105. [8] A. Pisello, State of the art on the development of cool coatings for buildings and cities, Solar Energy 144 (2017) 660-680. [9] E. Mastrapostoli, M. Santamouris, D. Kolokotsa, P.Vassilis, D. Venieri, K. Gompakis, On the ageing of cool roofs: Measure of the optical degradation, chemical and biological analysis and assessment of the energy impact, Energy and Buildings 114 (2016) 191-199. [10] N. Alchapar, E. N. Correa, Aging of roof coatings. Solar reflectance stability according to their morphological characteristics, Construction and Building Materials 102 (2016) 297-305. [11] F. Ascione, N. Bianco, R. F. De Masi, M. Santamouris, G. P. Vanoli, Energy Performance of Cool-colors and Roofing Coatings in Reducing the Free Solar Gains during the Heating Season: Results of an In-Field Investigation, Procedia Engineering 169 (2016) 375-383. [12] A. Gagliano, M. Detommaso, F. Nocera, G. Evola, A multi-criteria methodology for comparing the energy and environmental behavior of cool, green and traditional roofs, Building and Environment 90 (2015) 71-81. [13] E. Di Giuseppe, M. D’Orazio, Assessment of the effectiveness of cool and green
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