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Prestazioni estive degli edifici: il controllo della ventilazione

Dalla ventilazione indotta dal sole a quella meccanica controllata, un approfondimento su uno dei sistemi principali per il controllo delle prestazioni estive degli edifici

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Le basi giuridiche e tecniche per il controllo delle prestazioni estive negli ultimi anni stanno mettendo radice nei vari regolamenti nazionali e locali. Servirebbero nuovi strumenti d’analisi per affrontare il problema della prestazione energetica durante l’intero anno climatico attraverso un approccio prestazionale: è il risultato finale che conta.

In assenza di tutto ciò, per il momento, il legislatore detta le regole punto per punto per evitare il surriscaldamento degli ambienti. L’approccio adottato è quindi prescrittivo e gli aspetti su cui è posta l’attenzione sono:
– il controllo della ventilazione
– il controllo dell’irraggiamento
– il controllo delle caratteristiche inerziali delle strutture opache
– il controllo del bilancio energetico estivo dell’edificio
In questo articolo parliamo del controllo della ventilazione.

Le indicazioni di legge
Il progettista, al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti, […] utilizza al meglio le condizioni ambientali esterne e le caratteristiche distributive degli spazi per favorire la ventilazione naturale dell’edificio; nel caso che il ricorso a tale ventilazione non sia efficace, può prevedere l’impiego di sistemi di ventilazione meccanica nel rispetto del comma 13 dell’articolo 5 D.P.R. n. 412/1993.” (Art. 4, comma 18.c del D.P.R. n. 59/2009)

Gli interventi coinvolti nella verifica
Le indicazioni di legge sono da verificare per tutte le categorie di edifici, così come classificati in base alla destinazione d’uso del D.P.R. n. 59/2009 nel caso di:
– edifici di nuova costruzione;
– ampliamenti di edifici esistenti (anche con un volume minore del 20% rispetto al volume pre-esistente);
– ristrutturazioni integrali degli elementi dell’involucro e demolizione e ricostruzione in manutenzione straordinaria di edifici esistenti con superficie utile maggiore di 1000 m2;
– ristrutturazioni totali e manutenzioni straordinarie dell’involucro.

Valutazioni
La legge prescrive di utilizzare al meglio le condizioni ambientali esterne e le caratteristiche distributive degli spazi per favorire la ventilazione naturale, e se ciò non risultasse efficace, di impiegare la ventilazione meccanica nel rispetto del D.P.R. n. 412/1993.

Queste prescrizione pongono due quesiti:
1. come si può ottenere una “ventilazione efficace”;
2. cosa dice il decreto citato in merito alla ventilazione meccanica.
È chiaro che una corretta progettazione deve tendere alla migliore interazione tra edificio e ambiente, sia durante la stagione estiva che invernale. In merito il legislatore ricorda che, ove possibile, non va trascurata la progettazione degli spazi esterni per la creazione di un microclima favorevole al benessere.
Con questo si può favorire il raffrescamento in due modi: attraverso la riduzione delle temperature nelle immediate vicinanze dell’edificio (la presenza di vegetazione porta ad abbassamenti delle temperature per ombreggiamento e per evapotraspirazione delle piante), e attraverso la possibilità di incanalare o comunque sfruttare i venti e le brezze locali.
Per una corretta distribuzione degli spazi interni invece, non bisogna dimenticare quali sono i meccanismi che governano la dissipazione per convezione.
Quello che ci interessa è capire le modalità d’attuazione della ventilazione naturale e le sue potenzialità di raffrescamento, pur sapendo che lo scambio termico dipende da un gran numero di parametri spesso di difficile analisi, come le caratteristiche generali del fluido (viscosità, coefficiente di dilatazione termica, diffusività e conduttività), o specifiche dell’edificio (geometria del sistema, differenza di temperatura tra parete e fluido, velocità del fluido rispetto alla parete).

Figura 1.5

Esempio di incanalamento dei venti locali attraverso l’utilizzo della vegetazione [Fonte: 2]

Per un’analisi almeno qualitativa è sufficiente sapere che la forza che governa la ventilazione naturale negli edifici è la differenza di pressione dell’aria.
Questa dipende da tre fenomeni fisici:
– dal galleggiamento dell’aria (in inglese bouyancy effect), ovvero dalla naturale tendenza dei fluidi alla stratificazione e alla risalita verso l’alto;
– dalle differenze di temperatura che provocano una variazione della densità ed un conseguente movimento del fluido verso la zona a minor densità;
– dal vento che movimenta l’aria interna all’apertura delle finestre.

In base a questa classificazione, possiamo distinguere tra ventilazione trasversale (cross ventilation) e ventilazione monolaterale (single sided ventilation): la prima si basa sulla contrapposizione di due aperture sui lati opposti dell’ambiente da ventilare in modo da garantire l’ingresso d’aria sempre dalla zona esterna meno calda, la seconda si basa sull’apertura di una finestra su un unico affaccio.
Inoltre si può distinguere fra ventilazione che sfrutta l’effetto dei venti naturali e ventilazione indotta dal sole.
Al primo gruppo appartengono tutte le strategie che fanno affidamento su regimi di vento costanti e che possono includere tanto la cross quanto la single sided ventilation.
Al secondo gruppo appartengono soprattutto i camini solari e i tetti solari, ovvero sistemi che hanno il doppio vantaggio di non dipendere dalla presenza di venti locali e di autoregolare il flusso generato all’aumentare della radiazione solare incidente sull’edificio.
Il progettista di un edificio, pensando alla distribuzione degli spazi interni, deve tener conto delle possibilità di ventilazione sopra citate, conoscendo i pregi e difetti di ognuna di esse.

Ventilazione trasversale (o Cross ventilation)
La ventilazione trasversale è innescata quando l’aria entra in una stanza o in un edificio attraverso una o più aperture poste su un lato e lascia l’edificio passando attraverso una o più aperture poste su un altro lato, operando in questo modo un lavaggio termico degli ambienti interni.
Il flusso d’aria è generato dalla differenza di pressione fra i due lati dell’edificio. Per un corretto sfruttamento della ventilazione trasversale le norme consigliano di evitare profondità degli ambienti maggiori di 5 volte l’altezza interna.

Figura 1.6

Schematizzazione del raffrescamento convettivo attraverso ventilazione trasversale [Fonte: 2]

Figura 1.7

Potenza di dissipazione della ventilazione passante, in funzione della velocità del vento e dell’area netta di apertura all’ingresso del flusso (uguale o minore dell’area d’uscita); Ti – To = 1.7°C [Fonte: 16]

Il grafico di Figura 1.7 consente di individuare il flusso di calore asportabile da un ambiente, per unità di superficie di pavimento, tramite ventilazione trasversale, in funzione del rapporto tra area dell’apertura di ingresso dell’aria e area di pavimento e della velocità del vento incidente.

Ventilazione monolaterale (o Single sided ventilation)
La ventilazione operata con aperture poste su un solo lato degli ambienti è una tra le soluzioni più diffuse. Non sempre però si riescono ad ottenere buoni risultati, poiché un posizionamento non felice dell’apertura (per mancanza di spazio o per cattiva scelta progettuale) può portare all’inefficienza della strategia o addirittura al peggioramento delle condizioni climatiche interne (ad esempio nel caso in cui la finestra è orientata ad ovest senza essere schermata).
Il flusso che fluisce attraverso un’apertura monolaterale, come nel caso di una stanza con un’unica finestra, è bidirezionale. Ovvero l’effetto della stratificazione dell’aria è tale che la corrente d’aria fresca entra nella parte più bassa della finestra, mentre l’aria calda lascia la stanza passando attraverso la parte superiore dell’apertura.
Ricerche di laboratorio su tali aspetti hanno messo bene in evidenza come la ventilazione monolaterale perda completamente efficacia se l’area dell’apertura è inferiore a 1/20 dell’area del pavimento e se la profondità della stanza è maggiore di 2,5 volte dell’altezza della stanza.
Inoltre il fenomeno di dissipazione termica ha una validità molto limitata nel tempo, infatti la dissipazione del calore è efficace solo per i primi 10 minuti di attivazione della ventilazione.

La quantità di flusso Q che attraversa un’apertura [Fonte 3] è:

Q = 0.5 A · Veff [1.1]

con A area effettiva in m2 della finestra aperta.

Prove sperimentali hanno condotto alla determinazione della seguente formula per il calcolo della velocità effettiva:

Veff = (c1Vr2 + c2HΔT+c3)1/2 [1.2]

dove :
c1 = coefficiente che dipende dalla grandezza della finestra (circa = 0.001);
c2 = costante di galleggiamento (circa = 0.0035);
c3 = costante della turbolenza del vento (circa = 0.01);
Vr = velocità media del vento misurata da una stazione meteorologica ad un’altezza di 10 m sopra il terreno;
H = altezza dell’apertura [m];
ΔT = differenza di temperatura tra interno ed esterno.

Figura 1.8

Confronto tra il flusso di ventilazione attivato da ventilazione mono laterale (a sinistra) e trasversale (a destra) con una differenza di temperatura mantenuta a 20°C. I dati più significativi riguardano l’entità del flusso d’aria attivato e la durata dell’efficacia della ventilazione [Fonte: 17]

Ventilazione indotta dal sole
Nel caso in cui la ventilazione naturale sia assistita dalla presenza di venti costanti, non ci sono grosse difficoltà nel fornire la quantità di flusso d’aria necessaria per garantire un buon livello di comfort negli ambienti interni.
Invece nel caso d’assenza di vento o insufficiente differenza di pressione tra interno ed esterno per generare una corrente d’aria efficace, si può ricorrere ad una ventilazione indotta dall’energia solare.
È un metodo molto semplice e largamente diffuso nell’architettura dei paesi arabi. Si tratta di sfruttare in modo sapiente la radiazione solare incidente per riscaldare una parte dell’edificio e creare un forte gradiente di temperatura per garantire una ventilazione costante.
È interessante sottolineare la capacità di autoregolazione della ventilazione indotta: più diventa opprimente il caldo dovuto all’irraggiamento solare e maggiore è l’apporto di flusso d’aria generato dal sistema di raffrescamento naturale.
Un camino o un tetto solare è un dispositivo che immagazzina energia solare in un collettore (generalmente parte di una parete o di un tetto) col fine di riscaldare l’aria e generare uno squilibrio termico capace di creare la corrente d’aria.
Nel progettare un camino o un tetto solare bisogna porre una particolare attenzione all’orientamento del collettore e al dimensionamento della profondità dell’intercapedine.
È buona norma evitare profondità superiori ai 20 cm, perché se si eccede è possibile che si creino delle inversioni di flusso capaci di annullare l’effetto del camino sulla ventilazione degli ambienti interni.
Inoltre l’area complessiva netta delle aperture d’uscita dell’aria e quella della sezione trasversale al flusso devono essere uguali, o superiori, a quella della apertura d’ingresso.
Il grafico di Figura 1.10 consente di individuare il flusso di calore asportabile da un ambiente, per unità di superficie di pavimento, tramite ventilazione indotta da un camino solare, in funzione del rapporto tra area dell’apertura di ingresso del flusso e area di aperture di uscita e dell’altezza del camino termico, ovvero della distanza verticale tra aperture d’ingresso e di uscita.

Figura 1.9

Schema per un camino e un tetto solare: l’energia del sole riscalda il collettore creando un gradiente di temperatura, lo squilibrio termico indotto favorisce il mantenimento di una variazione di pressione nelle zone dell’edificio e attiva la ventilazione naturale. Maggiore è l’irraggiamento solare e più significativo è il flusso d’aria generato dal sistema [Fonte: 3]

Figura 1.9bis

Schema per un camino e un tetto solare: l’energia del sole riscalda il collettore creando un gradiente di temperatura, lo squilibrio termico indotto favorisce il mantenimento di una variazione di pressione nelle zone dell’edificio e attiva la ventilazione naturale. Maggiore è l’irraggiamento solare e più significativo è il flusso d’aria generato dal sistema [Fonte: 3]

Figura 1.10

Potenza di dissipazione della ventilazione per effetto camino, in funzione della distanza verticale tra aperture di ingresso e di uscita dell’aria (altezza camino termico) e dell’area netta minore tra quelle di ingresso, di uscita e di sezione trasversale, del flusso. Ti – To = 1.7°C [Fonte: 16]

Ventilazione meccanica controllata
Come visto, esistono tecniche per favorire la ventilazione naturale, ma non ci sono procedure di calcolo per determinare in modo univoco la sua efficacia.
Nel caso in cui si optasse per un sistema di ventilazione meccanica, il legislatore indica che deve essere rispettato l’art. 5, comma 13 del D.P.R. n. 412/1993:
Negli impianti termici di nuova istallazione e nei casi di ristrutturazione dell’impianto termico, qualora per il rinnovo dell’aria nei locali siano adottati sistemi a ventilazione meccanica controllata, è prescritta l’adozione di apparecchiature per il recupero del calore disperso per rinnovo dell’aria ogni qual volta la portata totale dell’aria di ricambio G e il numero di ore annue di funzionamento M dei sistemi di ventilazione siano superiori ai valori limite riportati nell’allegato C del presente decreto” (si veda Tabella 1.3).
Quindi ad esempio se si decide di ricorrere ad un impianto di ventilazione meccanica con una portata calcolata di circa 5000 m3 d’aria all’ora, per un edificio situato a Milano (2404 GG), se il funzionamento dell’impianto prevede più di 1200 ore all’anno, l’istallazione di un recuperatore di calore risulta essere obbligatoria.

Portata totale d’aria (G) Numero di ore annue di funzionamento (M)
m3/h da 1400 a 2100 GG oltre 2100 GG
2.000 4.000 2.700
5.000 2.000 1.200
10.000 1.600 1.000
30.000 1.200 800
60.000 1.000 700

Tabella 1.3 – Valori limite di portata d’aria e numero di ore di funzionamento oltre le quali è prescritto l’obbligo d’adozione di apparecchiature per il recupero del calore. La tabella è riportata nell’allegato C del D.P.R. n. 412/1993. Per portate non indicate in tabella si procede mediante interpolazione lineare.

A cura di Giorgio Galbusera – Ingegnere, staff tecnico Anit

Il contributo è tratto da “Prestazioni estive degli edifici”, uno dei sei volumi pubblicati da Anit – Associazione nazionale per l’isolamento termico e acustico. Per acquistare i manuali, clicca qui.
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