In termini architettonici, un elemento di copertura può essere piano o inclinato ma, in climi mediterranei, indipendentemente dalla configurazione geometrica, entrambe le superfici sono soggette all’irraggiamento solare, assorbono ingenti quantità di calore e diventano estremamente calde, specialmente durante il periodo estivo.
La variazione di temperatura di una superficie di copertura può raggiungere i 70ºC nell’arco della giornata e questo apporto di calore condiziona pesantemente il comfort degli ambienti interni. Per questo motivo, nonostante la costruzione dei tetti verdi risalga al XVIII secolo, è stata primariamente utilizzata nel nord dell’Europa.
Inoltre, va considerato che la Direttiva Europea sull’Efficienza Energetica 31/2010 richiede la progettazione di edifici a energia quasi zero. I consumi di energia e risorse nell’edificio saranno primariamente determinati dai materiali impiegati piuttosto che dai consumi specifici di energia in uso e l’impatto ambientale dei materiali utilizzati assume rilievo sostanziale, al pari della prestazione energetica, in una analisi complessiva del profilo ambientale di una soluzione tecnologia in una prospettiva di ciclo di vita.
In linea generale, il progetto di un tetto verde deve offrire una soluzione sostenibile al controllo della temperatura operativa interna degli ambienti, contribuendo anche al drenaggio e alla gestione delle acque meteoriche e, a scala urbana, all’assorbimento delle emissioni di CO2 e Pm, alla mitigazione dell’effetto isola di calore e al mantenimento della biodiversità. Il tetto verde deve quindi essere in grado di assolvere a molteplici funzioni, in primis le prestazioni richieste dalla Uni 11235 [1].
Tetti verdi e risparmio energetico
Il risparmio energetico potenziale derivato dalla realizzazione di un tetto verde varia considerevolmente in relazione alla prestazione complessiva dell’edificio su cui viene istallato. Lo scenario climatico specifico e il livello di isolamento termico del pacchetto di copertura risultano infatti essere i parametri cruciali per la definizione del contributo del tetto verde alla riduzione dei carichi di condizionamento.
La maggior parte delle ricerche sperimentali sui tetti verdi è stata condotta in climi freddi, dove elementi verdi hanno colonizzato spontaneamente le coperture e, solo nell’ultimo decennio, si è assistito a un incremento sensibile delle coperture verdi in climi secchi mediterranei [2]. La copertura verde è infatti storicamente nota per la sua capacità di isolare termicamente dal freddo invernale, limitando al contempo il surriscaldamento causato dall’irraggiamento diretto della copertura nei climi caldi [3].
La ricerca scientifica ha compiuto recentemente numerosi sforzi per quantificare il contributo offerto all’efficienza energetica da pareti e tetti verdi. La simulazione del comportamento effettivo di queste strutture, sia attraverso l’impiego di modelli matematici che in scala reale, rende possibile il calcolo delle prestazioni termiche, per determinarne il contributo all’isolamento e all’inerzia termica. Tali modelli sono inoltre in grado di valutare l’interazione delle specie vegetali con i parametri climatici locali, quali primariamente l’irraggiamento, il livello di umidità e le precipitazioni.
In presenza di contesti climatici diversi, la progettazione del subsistema idrologico e, conseguentemente i benefici apportati dalla copertura a verde, devono essere ricalcolati. In regioni caratterizzate da scarsità di precipitazioni, quali appunto i climi mediterranei, oltre alle indicazioni progettuali standard, occorre porre particolare attenzione alla gestione consapevole della risorsa acqua e alla strategia di irrigazione del manto verde.
La modellazione del tetto verde con Energy Plus
Così come in una copertura di tipo tradizionale, il bilancio energetico di un tetto verde è determinato dal flusso radiativo del sole. La radiazione solare è bilanciata dai flussi di calore sensibile (convettivo) e latente (evaporativo) dal suolo e dalla superficie fogliare, combinate alla conduzione di calore all’interno del substrato di suolo. Il modulo «Green Roof», introdotto in Energy Plus nel 2007, consente all’utente di monitorare svariati parametri caratteristici e simula il processo di trasferimento del calore che avviene in un tetto verde. Include inoltre la possibilità di inserire informazioni circa il programma di irrigazione, tracciando le variazioni diurne e stagionali dei livelli di umidità nel suolo.
Il database climatico
Lo scenario climatico dell’edificio oggetto di analisi costituisce un elemento discriminante e un fattore determinante nel calcolo della prestazione energetica dell’edificio in uso e, conseguentemente, nella determinazione dell’impatto potenziale sul consumo energetico dovuto alla installazione di un tetto verde. Purtroppo, i database climatici non sono sempre aggiornati e completi e questo condiziona significativamente la qualità dei risultati della simulazione.
In considerazione degli obiettivi specifici della ricerca, ovvero la valutazione del contributo del tetto verde alla riduzione dei carichi termici in clima Mediterraneo, la simulazione è stata condotta durante il periodo più critico, ossia durante l’estate (run period: dal 1 giugno al 30 settembre) quando la massa termica del pacchetto di copertura e il fenomeno traspirativo possono offrire un contributo decisivo alla riduzione del surriscaldamento degli ambienti interni.
In particolare, per la suddetta simulazione, dati specifici relativi alla piovosità a Pisa durante i mesi estivi sono stati derivati dal database dell’Aeronautica Militare e inseriti nel modello al fine di simulare livelli di precipitazione naturale (circa 0.44 mm/h), prevedendo 4 ore giornaliere di irrigazione.
Edificio di riferimento
Tenendo in considerazione le indicazioni della Direttiva 27/2012 sul ruolo esemplare svolto dall’edilizia pubblica nella promozione del risparmio energetico in edilizia, è stato scelto quale caso studio un edificio di edilizia economica popolare, rappresentativo di quel patrimonio degli anni ‘50- ‘60 che costituisce il campo primario di applicazione della direttiva 31/2010 sull’Efficienza Energetica.
L’edificio di riferimento si trova a Pisa, nel quartiere di S. Ermete, costruito dal Dipartimento di Ingegneria Civile nel 1948 per far fronte all’emergenza abitativa del dopoguerra.
L’edificio in muratura portante è orientato E-O e costituito da 3 piani fuori terra con basamento; ospita 12 appartamenti di metrature diverse. Le pareti esterne sono costituite da una muratura in blocchi di laterizio con isolamento a cappotto di 8 cm (U=0,32 W/m2K); le pareti interne e i solai interpiano sono isolati termicamente e acusticamente; le finestre sono dotate di doppio vetro (6+13+12 con argon) e protette con schermature esterne a chiusura programmata durante le ore più calde del pomeriggio (14:00 – 17:00).
Un sistema di ventilazione naturale garantisce il raffrescamento notturno passivo (0,8 vol/h). Dato l’oggetto dell’analisi, questi elementi edilizi costituiscono invariante nella simulazione del comportamento energetico dell’edificio e pertanto non sono stati considerati ai fini della valutazione degli impatti ambientali nel ciclo di vita. Sul modello così descritto, sono state messe a confronto, per la simulazione energetica e per la valutazione Lca, le cinque tipologie distinte di copertura descritte alle tabelle 1 e 2.
Le varianti di tetto verde differiscono primariamente per la profondità del substrato di suolo e per la varietà di vegetazione che ne determina la tipologia estensiva o intensiva. La qualità del medium (densità, porosità, mix), ossia del substrato dal quale le piante assorbono il nutrimento, elemento essenziale del sistema tetto-verde, determina non solo la prestazione energetica e la durata nel tempo del sistema tetto, ma costituisce la discriminante primaria nella valutazione del costo economico (Lcc) e dell’impatto ambientale nel ciclo di vita (Lca)1.
Di conseguenza, per gli obiettivi specifici dell’analisi Lca, sono state individuate quattro tipologie diverse di medium (tab. 3), elaborate sulla base d’informazioni specifiche derivate dal mercato, ma primariamente basate sulla letteratura scientifica [4; 12] dal momento che la ricetta originale di ogni medium costituisce un dato raramente reso pubblico dalle diverse aziende produttrici.
Life Cycle Assessment
L’analisi LCA è stata condotta in accordo allo standard En 15804+A1:2012 sulla base di una unità funzionale di 1 m2 con una Reference Service Life (Rsl) di 40 anni [Roof scapes, 2002]. Seguendo l’approccio modulare indicato dalla normativa, l’analisi di impatto è suddivisa in:
- Produzione (modulo A1-A3);
- Trasporto al cantiere (modulo A4);
- Fine vita (modulo C2-C4).
La fase di uso (modulo B1-B7) non è stata considerata nonostante il sub-modulo B7 «Consumo di acqua in uso» possa ritenersi rilevante nella valutazione del consumo di risorse del tetto verde, specialmente in climi secchi e molto caldi. In una valutazione di impatto completa, può risultare significativa anche la fase di manutenzione (modulo B2) che include gli impatti e le emissioni relative al reintegro del substrato, all’impiego di fertilizzanti e a potenziali fenomeni di lisciviazione [9]. Il modulo D «Benefici e carichi oltre iI confine del sistema» non è stato considerato a causa della difficoltà oggettiva di definire, per la maggioranza dei materiali, uno scenario ammissibile di riciclo o riuso.
È opportuno sottolineare però come tale approccio possa comportare una sottostima sostanziale dei benefici derivanti dalla soluzione tradizionale con manto in laterizio, dal momento che è pratica consolidata il riciclo di circa l’80-90% degli elementi di copertura in laterizio.
Per contro, il risultato del confronto tra le diverse tipologie di tetto verde non viene compromesso da tale omissione, dal momento che non sussistono differenze sostanziali tra gli scenari di riciclo ipotizzabili. Per l’analisi Lca è stato impiegato il metodo di caratterizzazione Cml, sulla base dei dati di inventario ricavati dal database Ecoinvent system processes and Industry ver. 2.2 e del database nazionale Laterlife, sviluppato per Andil dall’Università degli Studi di Firenze. La mancanza di dati specifici e generici relativi ai materiali costituenti il medium (mix di materiali vulcanici, materiali organici e fertilizzanti), ha rappresentato la difficoltà principale nella creazione dell’inventario Lci e il fondamentale elemento di incertezza dell’analisi Lca.
In particolare, per la valutazione del medium «d» è stato possibile utilizzare, sulla base della indagine di Romani [14], informazioni seppur parziali relativamente alle operazioni di raccolta, selezione, pulizia e frantumazione e successivo riuso di laterizi riciclati, individuandone impatti ed emissioni. Nella definizione degli scenari di fine vita, la difficoltà principale deriva dalla mancanza di riferimenti ai materiali specifici nel Catalogo Europeo dei Rifiuti e di ogni dato relativo alla di tali materiali nel contesto specifico italiano e in particolare toscano.
Di seguito si riportano gli indicatori di impatto descrittori del profilo ambientale delle diverse tipologie di copertura: Global Warming Potential (Gwp), Ozone Depletion (Odp), Acidification for soil and water (Ap), Eutrophication (Ep), Photochemical ozone creation Pocp, Depletion of abiotic resources-element (Adp-element), Depletion of abiotic resources – fossil fuels (Adp_fossil fules). In aggiunta sono stati calcolati anche due parametri relativi al consumo di risorse energetiche e in particolare l’uso di fonti di energia primaria rinnovabile e non3.
Risultati
I risultati della simulazione del comportamento energetico confermano quanto riportato in letteratura [17], ossia una sostanziale differenza nella temperatura superficiale della copertura a verde rispetto al tetto a falda in laterizio; mentre durante la notte, il tetto verde risulta mediamente più caldo di circa 2°C. Si segnala che l’effetto del raffrescamento notturno nella sola zona sottotetto contribuisce a una ulteriore riduzione della T di circa 1°C.
È opportuno evidenziare che i potenziali migliorativi citati da Wong [17] di riduzione del flusso termico, nel confronto tra un tetto verde e una copertura scarsamente isolata, si riducono drasticamente quando la copertura raggiunge i livelli di isolamento termico oggi previsti dalla normativa e, in questo caso, i vantaggi della soluzione a verde nel controllo del surriscaldamento estivo sono minimi. I risultati della simulazione hanno evidenziato una differenza di circa 0.6°C÷1°C nella T operativa della zona termica sottotetto, rispetto a una copertura tradizionale, ossia nettamente minore rispetto ai dati di letteratura.
I risparmi energetici legati alla presenza della copertura a verde si suppone crescano all’aumentare dello spessore del medium o del valore del Lai (Leaf Area Index: area in proiezione della superficie fogliare per unità di superficie). I risultati hanno infatti confermato che a un aumento del Lai (da 1 a 5 nella soluzione estensiva e da 2 a 5 in quella intensiva) corrisponde un decremento della T operativa di circa 1°C÷1,20°C e quando lo spessore del medium aumenta a 300mm, le temperature si abbassano di circa 1°C rispetto alla copertura inclinata (Tabella 4).
Occorre inoltre sottolineare che in climi come quello Mediterraneo in cui la radiazione solare può essere molto intensa, un valore alto del Lai limita il reirraggiamento del calore accumulato verso la volta celeste durante le ore notturne, con conseguente riduzione dei benefici attesi, specialmente se in assenza di strategie complementari di raffrescamento notturno.
Oltre a ciò, dal momento che in entrambe le soluzioni di tetto verde, non sono previsti cicli di irrigazione forzata, il contributo offerto dal processo di traspirazione alla dissipazione del calore risulta limitato. A ciò deve aggiungersi che, a causa dell’inversione del flusso termico durante le ore notturne, nei climi caldi un potenziale incremento ulteriore dello spessore del medium, con conseguente aumento della capacità termica, può essere controproducente. Al contrario, i risultati hanno dimostrato come la presenza di uno strato isolante nel sistema del tetto verde influenzi sensibilmente la prestazione globale anche durante il periodo estivo.
Le temperature della zona termica al di sotto del tetto verde non isolato si innalzano di circa 0,25°C÷1,65°C rispetto alla copertura a falda isolata, in linea con risultati di altre ricerche similari [7] che evidenziano l’importanza, ai fini dell’incremento delle prestazioni dinamiche dell’involucro e del controllo del surriscaldamento estivo, di una alternanza di strati resistitivi e capacitivi.
In termini d’impatto ambientale, la valutazione attraverso la metodologia Lca non ha rilevato sostanziali differenze tra le 5 diverse tipologie di copertura analizzate. Tutti gli indicatori di impatto analizzati, a esclusione dei due riferiti al consumo di risorse, presentano infatti la stessa magnitudo. In tutti i cinque casi analizzati, il contributo determinate all’impatto globale deriva dalla fase di approvvigionamento e produzione.
Nel caso della copertura in laterizio, gli impatti sono primariamente causati dal consumo di energie non rinnovabili durante il processo di cottura del laterizio e del calcestruzzo e dal consumo di risorse naturali che comportano un alto valore degli indicatori Adp, Gwp, Ap e Qdp. Nelle coperture a verde, gli impatti ambientali più significativi, derivano dalla presenza delle membrane impermeabili e del tessuto antiradice, e soprattutto dalla presenza, nell’impatto del medium, del componente Zeholite e del sub processo a esso correlato «coal from underground mine».
È infatti la costituzione del medium a determinare l’intensità dell’impatto globale delle diverse soluzioni di copertura a verde e a costituire l’elemento di più difficile caratterizzazione, data la scarsità d’informazioni specifiche disponibili sul mercato sulla composizione caratteristica delle differenti soluzioni. Da una analisi specifica delle diverse composizioni di medium (fig. 3), emerge come l’utilizzo nell’impasto di materiale riciclato (sfridi di laterizio), in sostituzione dei materiali drenanti quali pomice, lapillo e argilla espansa, riduce drasticamente gli impatti delle categorie Ap e Gwp. Nel confronto, il medium di Tipo «b» risulta mediamente il meno impattante. Il medium Tipo «d», al contrario, è quello caratterizzato dagli impatti più alti per tutte le categorie.
Tale intensità è primariamente legata all’impiego di argilla espansa in sostituzione di pomice, anche se costituisce solamente il 10% in peso dell’intero substrato e all’elettricità necessaria per il processo di frantumazione del laterizio durante il processo di riciclaggio. Per questo motivo, e in accordo a [4], l’argilla espansa risulta essere un materiale il cui impiego nelle soluzioni a verde richiede una analisi accurata e basata su dati di inventario Lci specifici e non generici.
Conclusioni
I risultati delle simulazioni energetiche confermano quanto riportato da G. Kokogiannakis et al. [5] ossia che l’installazione di copertura a verde su edifici isolati, in accordo alle più recenti e restrittive normative sul risparmio energetico, comporta benefici minimi rispetto alla realizzazione di una copertura con tegole in laterizio, isolata, di tipo tradizionale.
I moduli di calcolo Roof Vegetation e Roof Irrigation in Energy Plus consentono un’analisi accurata, attraverso la gestione di numerosi parametri di simulazione, ma l’attendibilità dei risultati risente fortemente della qualità dei valori di input e in particolare dai dati caratteristici del medium di crescita e delle specie vegetali impiegate. Inoltre, l’accuratezza dei dati climatici e in particolare di quelli relativi alla piovosità giornaliera (durata e intensità) costituisce un parametro fondamentale per la misurazione dell’efficienza del sistema verde in climi mediterranei ed elemento discrezionale nella progettazione di un eventuale impianto di irrigazione d’emergenza per ottimizzare la prestazione in caso di stagioni particolarmente asciutte.
Seppur non valutata nel presente lavoro di ricerca, l’interazione del sistema verde con diversi impianti di riscaldamento/ raffrescamento (radiattivo, convettivo, ad aria, ad acqua) potrebbe costituire un approfondimento interessante per una valutazione globale del potenziale di incremento dell’efficienza energetica e della riduzione del costo globale.
Anche se dal punto di vista energetico, il tetto verde consente potenzialmente di ottenere un risparmio annuale del costo di condizionamento (riscaldamento e raffrescamento) fino al 10% [13] e del 1÷2 % del costo energetico globale [18], in un’ottica di valutazione di sostenibilità globale, tenendo conto degli impatti ambientali valutati attraverso l’analisi Lca, sembra in conclusione piuttosto arbitrario rivendicare il tetto verde quale soluzione più efficiente rispetto alle coperture tradizionali in laterizio, specialmente nei climi mediterranei nei quali i benefici esclusivamente energetici sono sensibilmente ridotti [7].
Attraverso poi una progettazione oculata che premi anche l’impiego di tegole in laterizio di riuso o la selezione di membrane impermeabili a base di materie prime riciclabili, gli impatti ambientali delle coperture tradizionali si ridurrebbero significativamente andando a raggiungere i livelli specifici delle coperture a verde. In aggiunta, è opportuno sottolineare come le soluzioni tradizionali in laterizio richiedano scarsa manutenzione nella vita utile, dal momento che in generale non sono necessari interventi di pulizia o sostituzione nei 150 anni di vita utile di riferimento. Interventi di sostituzione degli strati di isolamento o di impermeabilizzazione eventualmente necessari richiedono, in genere, operazioni meccaniche semplici e a basso consumo di energia.
Al contrario, affinché nel tempo la copertura a verde mantenga inalterata la propria prestazione, sono necessarie opere di manutenzione programmata, con conseguente consumo di energie e risorse legate al consumo di acqua, all’impiego di fertilizzanti, al reintegro del suolo dilavato e alla sua eventuale sostituzione completa dopo 40 anni di vita, che comportano emissioni e impatti da valutare.
L’accurata progettazione dello strato del medium risulta quindi l’elemento cruciale per una ottimizzazione delle prestazioni energetiche, una riduzione degli impatti ambientali e dei costi economici nel ciclo di vita. D’altro canto però la mancanza di descrizioni dettagliate sulla composizione chimica dei medium proposti sul mercato, e una generale inadeguatezza delle banche dati Lci esistenti, nelle quali molti dei materiali specifici non sono adeguatamente caratterizzati, condizionano pesantemente la qualità e l’attendibilità dell’analisi energetica e Lca dei tetti verdi.
L’attuale mercato italiano delle coperture a verde propone infatti limitate soluzioni in termini di substrati vegetativi, prevalentemente composti da materie prime non rinnovabili e ad alto impatto ambientale mentre potrebbe sviluppare nuove linee di ricerca favorendo l’impiego di materiali di recupero, quali appunto gli sfridi di laterizio. La possibilità di analizzare, in stretta collaborazione con le aziende e nell’ottica di una ottimizzazione di prodotto, soluzioni di substrato più efficienti dal punto di vista energetico, ambientale ed economico potrebbe aprire nuove linee di sviluppo e di miglioramento delle prestazioni ambientali anche per il settore del laterizio.
Tenendo conto infatti delle difficoltà attuali della filiera italiana della raccolta differenziata dei rifiuti di demolizione e del loro trattamento per un post-riuso, la graniglia di laterizio impiegata nel mix potrebbe configurarsi direttamente quale prodotto secondario della produzione primaria prodotta in fornace.
Tutti quegli elementi che, per difetti di prestazione e qualità, non risultino idonei all’impego specifico nelle costruzioni potrebbero essere facilmente raccolti e frantumati direttamente in stabilimento per essere utilizzati poi come sfridi, risolvendo così le problematiche di selezione, lavaggio e pulizia degli aggregati generalmente provenienti dalla raccolta differenziata degli scarti di demolizione. Un mercato fiorente per graniglie di laterizio prodotte in fornace esiste già in alcuni mercati europei, come per esempio quello Uk.
In questo modo, parte degli impatti ambientali oggi imputati alla produzione di unità di laterizio, incluse ovviamente le tegole e i coppi impiegati nelle coperture tradizionali, sarebbero, nella logica della valutazione Lca, allocati al prodotto secondario aggregato, generando un’immediata riduzione del danno ambientale dell’elemento di copertura e un miglioramento ulteriore della qualità ambientale delle coperture tradizionali rispetto alle coperture a verde, in particolare negli impatti derivanti dal consumo di risorse energetiche.
Note
- Lo strato vegetativo non è stato considerato nell’analisi Lca poiché il contributo all’impatto è trascurabile ai fini della valutazione.
- Nel confronto, tenendo conto dell’angolo di inclinazione della copertura a falda, ai fini della determinazione della relativa Uf, è stata utilizzata l’area equivalente alla proiezione su piano orizzontale.
- I parametri relativi al consumo di risorse energetiche sono stati calcolati con il metodo Ced.
Riferimenti bibliografici
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Carlo Bibbiani, PhD, ricercatore, Dsv, Università di Pisa
Fabio Fantozzi, professore associato, Destec, Università di Pisa
Caterina Gargari, PhD, Università di Pisa
