Ricerca | Simulazioni microclimatiche a scala urbana

Riflettanza del manto e trasmittanza termica di coperture: influenza sul surriscaldamento urbano

L’inibizione dei flussi termici entranti in edifici molto isolati determina un incremento delle temperature superficiali esterne. L’effetto combinato di trasmittanza e riflettanza di coperture è stato investigato in diversi contesti climatici italiani.

Cil 172). Il presente articolo riporta i risultati di simulazioni microclimatiche a scala urbana condotte al fine di evidenziare la relazione tra le proprietà radiative e termiche di coperture e il fenomeno «isola di calore» (Uhi, Urban Heat Island).
Tale fenomeno, ormai noto da decenni e particolarmente investigato negli ultimi anni in relazione all’inasprimento del surriscaldamento globale [1], implica un innalzamento delle temperature negli aggregati urbani rispetto alle aree circostanti, principalmente a causa

  • dell’elevata concentrazione di superfici caratterizzate da una bassa riflettanza solare (1) come edifici, pavimentazioni e strade;
  • della carenza di vegetazione o superfici d’acqua in grado di raffrescare l’aria per evaporazione o evapotraspirazione;
  • della limitata azione delle correnti d’aria a causa della morfologia di edifici e strade [2].

Risulta piuttosto consolidata nella letteratura degli ultimi anni l’utilità di materiali «cool», ovvero ad elevata riflettanza ed emissività (2), nel limitare il fenomeno isola di calore, grazie alle temperature più basse che essi raggiungono quando sottoposti alla radiazione solare e quindi al ridotto quantitativo di calore trasferito all’aria circostante [3-5]. Tali materiali, molto utilizzati in ambienti anglosassoni, si stanno diffondendo anche in contesti climatici e costruttivi molto diversi, come quelli mediterranei [6].

È tuttavia da molti considerata una grande limitazione all’impiego di tali materiali la possibile variazione delle proprietà radiative a causa dell’invecchiamento, del deterioramento atmosferico, del deposito di polveri e microorganismi [7-8]. Sono inoltre oggetto di dibattito scientifico i benefici che derivano dall’impiego di materiali riflettenti, se si considera il bilancio energetico annuale a scala dell’edificio: i vantaggi derivanti da un ridotto ingresso di calore attraverso l’involucro durante l’estate potrebbero non bilanciare i più contenuti apporti solari gratuiti durante la fase invernale [9-10].

Vista dell’area oggetto di simulazione e modello realizzato con il software ENVI-met.

Tale problematica necessita di maggiore approfondimento, anche considerando le caratteristiche costruttive dell’edificio – in particolare la resistenza termica dell’involucro – e il contesto climatico [11-12]. Il problema della caratterizzazione delle proprietà radiative dei materiali edilizi ha assunto particolare rilievo da quando, sia mediante protocolli ambientali (Leed, Itaca [13-14]), sia mediante dispositivi legislativi specifici (dm 26/06/2015 requisiti minimi (3) [15] e i cosiddetti Cam-Criteri Ambientali minimi- dm 24/12/2015 e s.m.i [16]) sono stati introdotti per alcune di queste (in particolare la riflettanza solare o il Solar Reflectance Index (4) dei valori limite al fine di contenere il fenomeno isola di calore.

Le attività analitiche descritte in questo articolo sono state condotte nell’ambito di un lavoro di ricerca volto ad investigare l’impatto delle indicazioni contenute nel dm 26/06/2015, relativamente alle proprietà radiative dei materiali degli edifici, sul surriscaldamento urbano. Il decreto infatti richiede di valutare, in termini costi/benefici, l’utilizzo di materiali di finitura ad elevata riflettanza solare (0,65 nel caso di coperture piane – 0,30 nel caso di copertura a falde) o di tecnologie di climatizzazione passiva «al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti, nonché di limitare il surriscaldamento a scala urbana».

Per quanto concerne l’impatto sul comfort degli ambienti e i consumi energetici in fase estiva, i risultati ottenuti sono riportati in una precedente pubblicazione degli autori [17]. Il presente contributo si concentra invece sull’influenza delle proprietà radiative del manto di copertura sull’innalzamento delle temperature urbane, in diversi contesti climatici italiani e in relazione a diversi livelli di resistenza termica dell’involucro.

METODOLOGIA

La simulazione microclimatica a scala urbana

La valutazione analitica tramite software di simulazione microclimatica è stata condotta modellando un contesto morfologico urbano in tre diverse zone climatiche e facendo variare sia le proprietà radiative del manto di copertura sia la resistenza termica dell’involucro degli edifici inclusi nei modelli sviluppati, ottenendo come risultato le temperature dell’aria esterna.

Si è utilizzato il software di simulazione microclimatica urbana ENVI-met [18], basato sugli scambi termici tra superfici, vegetazione ed aria, in grado di rappresentare porzioni di contesti urbani in tre dimensioni e di simulare le condizioni termiche ambientali. Tramite lo strumento analitico si è modellato un contesto urbano rappresentativo della tipica morfologia dei centri abitati italiani e caratterizzato da una ampia varietà nella geometria dei canyon urbani presenti, ovvero da diversi rapporti tra l’altezza degli edifici e la larghezza degli spazi tra essi (H/L).

Tabella 1: valori di riflettanza, assorbanza ed emissività dei materiali considerati.

La zona selezionata è un’area di Roma nei pressi di Piazza Navona, con un tessuto urbano molto denso. Il rapporto H/L nella zona varia tra 1 e 5,3. I valori più bassi si hanno nelle zone con elevati livelli di soleggiamento, mentre valori elevati caratterizzano i canyon urbani più stretti e meno irraggiati, tipici di molti centri storici italiani.

La planimetria del contesto urbano, di dimensioni 100×100 m (10mila mq), è stata suddivisa in una griglia tridimensionale di celle 100 x 100 x 40 (altezza). Le dimensioni della singola cella sono di 1x1x2 m, aspetto che determina alcune delle semplificazioni adottate nella modellazione della geometria degli edifici (fig.1).

L’analisi è stata condotta considerando le condizioni climatiche durante una tipica giornata estiva in tre località (Palermo, Roma, Torino) rappresentative di diverse zone climatiche (B, D, E). Tale azione è stata determinata dalla necessità di valutare l’impatto di diverse configurazioni di involucro degli edifici sulla temperatura dell’aria, in relazione alla localizzazione geografica, mantenendo inalterata la configurazione geometrica del contesto urbano per non influenzare i risultati.

Per ciascuna località si sono considerati i valori di radiazione solare specifici inclusi nel database del software, e le seguenti condizioni climatiche:

  • velocità del vento pari a 2,2 m/s, misurata a 10 m di altezza (condizione tipica di giornate estive poco ventilate),
  • direzione del vento da ovest,
  • umidità relativa esterna del 50%,
  • temperatura iniziale dell’aria di 22°C.

Le varianti tecnologiche simulate

Per tutti gli edifici modellati nell’ambito del contesto urbano, si sono considerate varianti tecnologiche relative alle proprietà radiative dei materiali del manto di copertura e alla trasmittanza termica dell’involucro. Si sono in particolare simulati:

  • 5 tipologie di materiali di copertura, a cui corrispondono 5 combinazioni di riflettanza solare ed emissività, rappresentativi di prodotti tradizionali per manti e di materiali cool;
  • 3 livelli di trasmittanza termica per i componenti dell’involucro edilizio, rappresentativi di edifici esistenti o dei tipici livelli di isolamento richiesti dai più recenti dispositivi normativi.

In tab. 1 sono riportate le proprietà radiative (emissività, assorbanza5 e riflettanza solare), caratteristiche della superficie esterna delle coperture simulate.

La tipologia Z0 rappresenta una superficie bituminosa o comunque molto scura, mentre le tipologie Z1-Z3 rappresentano l’intervallo nel quale si posizionano tipicamente le coperture con tegole in laterizio in termini di riflettanza. Per la tipologia Z3 si è arbitrariamente considerato un valore basso di emissività per valutare nello specifico l’impatto di tale proprietà sul risultato. Le tipologie Z4 e Z5 rappresentano una superficie alto-riflettente caratterizzata anche da diversi valori di emissività (coperture basso e alto emissive).

Tabella 2. Trasmittanza termica dei pacchetti di copertura e muratura analizzati e riferimenti normativi. Dove “IS”: “ST” edifici a basso
livello di isolamento; “IP” livelli di isolamento particolarmente elevati (D.M. 26/06/2015) per l’edificio di riferimento in zona E dal 2019.

I livelli di trasmittanza dell’involucro (pareti e coperture) sono riportati in Tab. 2, anche in relazione ai requisiti richiesti dal dlgs 311/2006 all’ Edificio di Riferimento introdotto dal dm 26/06/2005. Le strutture identificate con la sigla ‘ST’ rappresentano edifici a basso livello di isolamento (pre-dlgs 192/2005), secondo le indicazioni contenute nello standard Uni TS 11300:2008, Appendice A [19]. Quelle identificate con la sigla ‘IS’ rappresentano edifici con livelli di isolamento coerenti con le prescrizioni del dlgs 311/2006 per la zona climatica D (0,32 W/mqK).

Quelle identificate con la sigla ‘IP” rappresentano edifici con livelli di isolamento particolarmente elevati (0,22 W/mqK) come richiesto dall’attuale dm 26/06/2015 per l’edificio di riferimento in zona E a partire dal 2019. Data la complessità del modello simulato, è stato necessario adottare alcune semplificazioni sia nella geometria degli edifici sia nella caratterizzazione dei componenti edilizi, in particolare per questi non si sono considerate stratigrafie specifiche né si sono modellati eventuali canali di ventilazione.

Si sono quindi realizzate complessivamente 15 configurazioni di edifici, originate dalla combinazione delle 5 coppie di proprietà ottiche e dei 3 livelli di isolamento, simulate nei tre contesti climatici di Torino, Roma e Palermo, al fine di focalizzare l’analisi dei risultati sull’impatto congiunto di proprietà radiative del manto e trasmittanza termica dell’involucro edilizio.

Fig. 2Profilo verticale delle temperature dell’aria (h16:00) con le configurazioni di involucro: IP-Z0 (iper-isolato e a bassa riflettanza), ST-Z5 (esistente e ad alta riflettanza), ST-Z0 (esistente e a bassa riflettanza) in alcuni punti all’interno dell’area simulata nelle condizioni climatiche di Roma.

Risultati

L’interpretazione dei risultati si basa sulle temperature dell’aria esterna ottenute in 30 punti interni all’area oggetto di analisi, escludendo le zone marginali maggiormente influenzate dalle condizioni al contorno imposte. Ciascuno di questi punti è situato a 1,8 m di altezza, per simulare la percezione di unutente tipo.

La fig.2 riporta il profilo delle temperature dell’aria esterna in funzione dell’altezza in undeterminato orario della giornata (h 16:00), con diverseconfigurazioni degli edifici (in termini di trasmittanzae proprietà radiative), in alcuni punti all’interno dell’area simulata con le condizioni climatiche di Roma.

È possibile osservare l’andamento decrescente della temperatura in funzione della distanza dal suolo e l’influenza delle proprietà radiative sulle temperature dell’aria a contatto con le superfici degli edifici. Le due curve che evidenziano il salto nel profilo delle temperature a ca. 10 m di altezza si riferiscono a punti interni a fabbricati e si nota in generale un repentino cambiamento di pendenza delle diverse curve, che segna la soglia al di sopra della quale le condizioni microclimatiche non risultano influenzate dalla conformazione fisica degli edifici, ma solo dalle varie componenti di riflettanza ed emissività delle coperture.

Fig.3: andamento dei valori di temperatura dell’aria esterna in una giornata (ore diurne) in un punto dell’area oggetto di
studio, nelle 3 zone climatiche considerate, in relazione ai valori estremi di riflettanza (Z5=elevata riflettanza; Z0=bassa
riflettanza), per i tre livelli di trasmittanza termica dell’involucro (ST=elevata, IS=intermedia, IP= bassa).

È inoltre possibile individuare distintamente tre gruppi di curve: quello che raggiunge le massime temperature al suolo rappresenta edifici ad elevato livello di isolamento (IP) e bassa riflettanza (Z0) (tale situazione è da intendersi come condizione limite); quello intermedio rappresenta edifici esistenti, poco isolati (ST), sempre con bassa riflettanza (Z0); mentre il gruppo di curve con le minori temperature rappresenta sempre edifici esistenti ma con il maggiore livello di riflettanza (Z5).

Se ne deduce come un elevato isolamento dell’involucro determini un maggiore surriscaldamento dell’aria circostante, a causa del fenomeno di «disaccoppiamento termico» che si verifica sui componenti edilizi: l’elevata resistenza termica dello strato isolante limita fortemente i flussi di calore entranti nell’edificio, causando un incremento delle temperature dei materiali rivolti verso l’esterno.

La fig. 3 riporta l’andamento delle temperature dell’aria esterna rilevate durante le ore centrali nella giornata più calda del periodo di simulazione, nello stesso punto per le tre località considerate, assumendo i valori Z5 e Z0 per la riflettanza del manto di copertura (Z5=elevata riflettanza; Z0=bassa riflettanza), e le configurazioni ST, IS e IP per la trasmittanza dell’involucro.

Come visibile sul grafico a sinistra in figura, i picchi di temperatura dell’aria esterna nel caso di edifici esistenti, ad elevata trasmittanza e bassa riflettanza, variano tra un massimo di circa 37°C a Torino e 40°C a Palermo. In questa configurazione di edifici, l’adozione di manti ad elevata riflettanza (Z5) permette di ridurre tali temperature di circa 1,4°C a Palermo e Roma e di circa 1,2°C a Torino.

L’andamento delle temperature nel caso di edifici isolati ed iper-isolati (grafico a destra in fig. 3) è similare (le curve nel grafico sono quasi sovrapposte). A causa della minore trasmittanza dell’involucro, già nel caso di edifici isolati inaccordo al dlgs 311/2006, le temperature dell’aria salgono a 39°C a Torino e 42 °C a Palermo, nel caso di manti a bassa riflettanza (Z0). L’utilizzo di superfici ad elevata riflettanza (Z5) permette di ridurre tali valori di circa 1°C, ottenendo valori comparabili con quelli ottenuti nel caso di edifici esistenti.

La fig. 4 sintetizza le temperature giornaliere, mediate considerando anche i valori notturni e in tutti i punti dei canyon urbani analizzati, per le tre zone climatiche e in funzione di tutti i livelli di riflettanza delle coperture. È possibile osservare come i valori di temperatura dell’aria, a pari trasmittanza dell’involucro, varino in funzione della riflettanza del manto di ca. 1.5-2°C a seconda della località climatica considerata, confermando i risultati precedentemente mostrati. Si evidenzia inoltre che i livellidi riflettanza intermedi (Z1-Z3), tipici delle tradizionali coperture in laterizio, risultano già piuttosto efficaci nel ridurre le temperature ottenute con il caso estremo a bassa riflettanza.

Fig.4: andamento delle temperature medie giornaliere in funzione della riflettanza solare delle coperture a
pari trasmittanza termica, nelle tre località.

Conclusioni

Il presente articolo riporta una analisi, condotta mediante strumento di calcolo microclimatico a scala urbana, volta a comprendere l’influenza dell’adozione di coperture con specifici valori di riflettanza sul fenomeno del surriscaldamento urbano.

Si è inoltre indagato l’effetto indotto da involucri con diversi livelli di isolamento termico, dato che l’inibizione dei flussi termici entranti attraverso i componenti edilizi, in relazione all’adozione di trasmittanze particolarmente basse in accordo agli attuali dispositivi normativi, può determinare un innalzamento delle temperature superficiali esterne e conseguentemente dell’aria nello spazio circostante.

Nello specifico si è valutato l’incremento della temperatura dell’aria esterna su una porzione urbana caratterizzata dalla presenza di canyon con rapporti H/L (altezza/larghezza) variabili e posta in tre località climatiche rappresentative di situazioni ad alto, medio e basso irraggiamento.

I risultati evidenziano un effetto sinergico dato dalla combinazione di trasmittanza dell’involucro e riflettanza del manto sul fenomeno del surriscaldamento urbano. Gli incrementi maggiori della temperatura media dell’aria esterna si registrano infatti per i casi caratterizzati dalla combinazione di tre fattori: località caratterizzate da carichi radiativi elevati; manti a bassissima riflettanza; involucri a bassa trasmittanza ovvero molto isolati.

Ciò è riconducibile al fenomeno del «disaccoppiamento termico» tra le condizioni termiche all’interno e all’esterno dell’involucro: l’inibizione dei flussi termici entranti incrementa le temperature superficiali esterne dei componenti, elevando la temperatura dell’aria esterna che li lambisce.

Ne deriva pertanto come l’adozione di manti ad elevata riflettanza possa determinare benefici sulla temperatura dell’aria esterna, in particolare alla luce delle recenti prescrizioni normative volte ad un forte isolamento termico dell’involucro. Tuttavia, nelle zone climatiche più calde, laddove il fenomeno isola di calore è più preoccupante, occorrerebbe analizzare con maggiore approfondimento, anche in una logica di valutazione costi-benefici, la convenienza ad investire su un forte isolamento dell’involucro accoppiato a strategie radiative, piuttosto che l’utilizzo di materiali tradizionali quali i laterizi in copertura che, accostando proprietà ottiche equilibrate ad una azione di naturale ventilazione, permettono di  garantire un benefico raffrescamento passivo dell’involucro senza problemi di durabilità rispondendo efficacemente al problema del surriscaldamento urbano.

di Marco D’Orazio, professore ordinario,
Dipartimento di Ingegneria Civile Edile e  Architettura, Università Politecnica delle Marche

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

Note

  1. Viene indicata come «riflettanza» (coerentemente a quanto indicato sui dispositivi di legge) la misura della 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 ad elevata riflettanza, soggetti alla radiazione solare, tendono a non riscaldarsi e conseguentemente a non riscaldare l’aria circostante.
  2. 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.
  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 dl 63/2013 convertito in legge con la Legge 90/13.
  4. Il Solar Reflectance Index è un indice prestazionale che tiene conto  contemporaneamente della riflettanza e della emissività di un materiale. Si calcola con lo standard Astm E 1980-11.
  5. L’assorbanza, o coefficiente di assorbimento, indica il rapporto tra la frazione di potenza di radiazione assorbita e quella incidente su un corpo. Può assumere valori compresi tra 0 e 1. Dipende dalla natura, dalla forma e dalla temperatura del corpo considerato.

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