(pagina realizzata in collaborazione con l'ing. Daniele Palma, consulente esperto in efficienza energetica, ERISSE Soluzioni per l'Energia S.r.l.)

 Le tecniche di raffrescamento naturale microclimatico si basano su flussi d'aria naturali che attraversano l'edificio. In particolare, le zone attraversate possono essere di due tipi:

• spazi abitativi e locali annessi: es. vani tecnici sviluppati in verticale (cavedi, camini), locali comuni di interconnessione (atria, patii, cortili interni);
• spazi tecnici: chiusure permeabili all'aria, partizioni interne.

Per favorire il raffrescamento dissipativo microclimatico si considerano i seguenti aspetti:
a) distribuzione orizzontale degli spazi, in relazione alla potenzialità di ventilazione naturale passante da vento;
b) distribuzione verticale degli spazi intercomunicanti, in relazione alla potenzialità di ventilazione passante da gradiente termico (dovuto cioè a differenze di temperatura dell’aria).

Distribuzione orizzontale degli spazi

Nella distribuzione orizzontale (ossia planimetrica) degli spazi di una certa unità immobiliare, si deve considerare la potenzialità di ventilazione passante da vento, limitando le partizioni perpendicolari al flusso d'aria prevalente e collocando gli arredi in modo da non ridurre eccessivamente la velocità dell'aria interna.

Negli edifici residenziali, soggiorni e studi dovrebbero essere collocati sul lato sopravento (ossia dalla parte da cui proviene il vento), mentre cucine e servizi igienici andrebbero collocati su quello sottovento (in modo che gli odori non attraversino l'appartamento prima di essere espulsi). Le camere da letto possono essere poste su entrambi i lati, ma in posizioni più protette.

Nella Figura 1 sottostante è riportato un esempio di relazione tra ventilazione naturale, distribuzione degli spazi interni e direzione del vento, in un appartamento. Ipotizzando di aver determinato la direzione prevalente del vento (vento dominante), è possibile valutare l'efficacia o meno della ventilazione, e quindi, del raffrescamento, in relazione ad una data distribuzione planimetrica. Tale efficacia dipende, principalmente, dall'angolo d'incidenza del vento rispetto alla parete in cui è posizionata l'apertura di ingresso dell'aria.

Figura 1 - Flussi d'aria per ventilazione passante in un appartamento con:
a) angolo di vento perpendicolare alle pareti perimetrali
b) angolo di vento obliquo alle pareti perimetrali

 

a) Ventilazione efficiente

b) Ventilazione inefficiente

Immagini rielaborate dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.

Distribuzione verticale degli spazi

La distribuzione verticale degli spazi intercomunicanti di un edificio è sostanzialmente influenzata dai movimenti d'aria da gradiente termico (effetto camino es.). In generale, andrebbero seguiti i seguenti criteri.
 
• In una casa unifamiliare a più di un piano fuori terra, i locali in cui si generano gli apporti termici interni più elevati, quali cucina e studio, dovrebbero essere collocati al livello superiore, per evitare che trasferiscano calore agli altri ambienti. Se collocati al piano inferiore dovrebbero essere posti sottovento. Viceversa, gli spazi di soggiorno collocati al livello superiore non dovrebbero essere in comunicazione diretta con locali ad alta produzione di calore al piano inferiore (ponendo, ad es., una zona-filtro nel punto di arrivo della scala).
• In edifici multipiano, i vani scala/ascensori dovrebbero essere localizzati in modo da evitare l'immissione di aria calda nei locali ai piani superiori. Ciò si ottiene collocandoli sul lato sottovento dell'edificio e posizionandone le aperture di uscita dell'aria più in alto rispetto alle chiusure esterne permeabili degli ambienti abitativi o di lavoro. Le aperture d'ingresso dell'aria negli ambienti saranno collocate, preferibilmente, sul lato sopravento dell'edificio.
 
• In edifici multipiano per uffici o usi collettivi i requisiti di ventilazione e raffrescamento devono essere commisurati con quelli attinenti la sicurezza e, in particolar modo, con le norme di prevenzione incendi. I problemi maggiori derivano dai meccanismi associati al movimento d'aria ascensionale che si determina per effetto camino nei vani di comunicazione. Tali meccanismi potrebbero, infatti, determinare sia l'accelerazione del processo di combustione, in fase di innesco di un incendio nel vano tecnico o in ambienti comunicanti con esso, sia il trasporto di fumi ai locali superiori comunicanti con il vano.

Per ovviare a tali inconvenienti, la normativa prescrive l'installazione di porte resistenti al fuoco e a tenuta d'aria in tutti i locali comunicanti con il vano tecnico verticale, nonché l'immissione forzata di aria nel locale stesso al fine di mantenerlo sovrappressione. Nell'ipotesi d'utilizzo di raffrescamento tramite ventilazione naturale per effetto camino, una volta rispettate le prescrizioni generali di prevenzione incendi, è possibile soddisfare i requisiti connessi con la movimentazione d'aria, anche senza l'utilizzo di ventilazione meccanica. Ciò si attua installando chiusure esterne permeabili superiori con modalità d'apertura comandata elettronicamente, in collegamento con sensori di temperatura e rivelatori di fumo, tramite le quali il vano tecnico può essere mantenuto: sovrappressione, in fase d'innesco dell'incendio (finestre chiuse); in depressione (finestre aperte), a incendio spento, per facilitare l'uscita dei fumi o, in assenza di incendio, per la ventilazione.

Le chiusure permeabili all'aria

Le chiusure permeabili all'aria possono essere chiusure trasparenti (finestre) in modalità d'apertura, o dispositivi specificamente ideati per la ventilazione, quali griglie e bocchette.

I requisiti che devono soddisfare tali chiusure, per contribuire ad innescare un flusso di ventilazione naturale efficace, sono relativi ai seguenti aspetti:
• localizzazione orizzontale e verticale
• area d'apertura
• tipo di chiusura
• modalità d'apertura

Per ottenere, in un ambiente, un tasso di flusso d'aria significativo per il raffrescamento, è necessario che vi siano almeno due chiusure permeabili e che non siano collocate sulla stessa parete, in quanto in tal caso non si produrrebbe il differenziale di pressione necessario a innescare il movimento d'aria.

La localizzazione delle chiusure in senso orizzontale, lungo il perimetro dell'edificio, influenza la ventilazione passante generata dal vento e deve essere rapportata alla direzione del vento stesso; la localizzazione, invece, in senso verticale (in sezione) influenza il movimento d'aria da gradiente termico.

Localizzazione orizzontale

Nel posizionare in pianta due o più chiusure esterne permeabili, valgono le seguenti regole fondamentali (Figura 2 e Figura 3).

• Disporre le chiusure sia sul lato sopravento, sia su quelli sottovento; chiusure poste unicamente sui lati sottovento determinerebbero una condizione di ventilazione insufficiente (Figura 2a).
• Nel caso di vento perpendicolare alle facciate in cui sono collocate le chiusure permeabili, evitare di collocarle su pareti opposte in modo direttamente contrapposto (Figura 2b), bensì sfalsarle (Figura 2c).
• Se non si dispone di due pareti opposte, ma di due o tre pareti perimetrali contigue, la distribuzione delle chiusure su queste ultime produce una ventilazione efficace purché il vano non sia troppo profondo (Figura 2d).
• Un vento con direzione obliqua rispetto alle facciate dell'edificio (con angolo di incidenza < 45°), genera una ventilazione passante più efficace di quella prodotta dal vento perpendicolare, sia con chiusure contrapposte (Figura 3a), sia con chiusure poste su tre pareti contigue (Figura 3b).

Figura 2 - Collocazione orizzontale di aperture, in funzione della ventilazione passante; ipotesi di vento perpendicolare alle facciate dell'edificio (viste in pianta)
Immagine rielaborata dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.

 

Figura 3 - Collocazione orizzontale di aperture, in funzione della ventilazione passante; ipotesi di vento obliquo rispetto alle facciate dell'edificio (viste in pianta)
Immagine rielaborata dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.

Localizzazione verticale

Il posizionamento verticale delle chiusure esterne permeabili influisce sulla ventilazione passante, modificandone sia la direzione di flusso, quando esso è generato prevalentemente dal vento (Figura 4), sia la portata, quando il flusso è innescato da effetto camino.

Nel caso di ventilazione passante da vento, la collocazione verticale reciproca delle chiusure di ingresso e di uscita dell'aria è determinante in relazione allo scopo specifico cui è finalizzato il movimento d'aria:
• se l'obiettivo è il raffrescamento corporeo, le chiusure devono essere collocate ad altezza d'uomo (Figura 4a);
• se l'obiettivo è il raffrescamento della massa muraria, la chiusura di ingresso deve essere posizionata vicino alla massa da raffrescare, ovvero vicino al soffitto (Figura 4b e c) o al pavimento (Figura 4d). Non è necessario che lo sia anche quella di uscita.

Figura 4 - Flusso d'aria interno ad un ambiente, in funzione della collocazione verticale delle aperture, nel caso di ventilazione passante (viste in sezione)
Immagine rielaborata dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.

 

 

Un'azione sinergica dei due effetti vento + effetto camino si ottiene con le chiusure d'uscita a torrino, collocate in corrispondenza del colmo del tetto, che sfruttano un meccanismo (detto Bernoulli-Venturi) che induce una zona di depressione in prossimità dell'apertura, aumentando l'effetto di risucchio del flusso (Figura 5).

Figura 5 - Utilizzo di finestre a torrino sul tetto, per aumentare la ventilazione ad estrazione favorita dall'effetto camino
Immagine rielaborata dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.


Area d'apertura

Il flusso d'aria che attraversa una chiusura permeabile è direttamente proporzionale all'area della porzione aperta della chiusura stessa, mentre il rapporto tra l'area aperta della chiusura d'ingresso del flusso e quella della chiusura d'uscita influisce sulla velocità del flusso stesso.
Per rendere più flessibile il funzionamento delle chiusure, è utile prevedere tipi di chiusura con il massimo grado di variabilità (funzionamento controllabile) dell'area di apertura.

Tipo di chiusura e modalità d'apertura

La scelta del tipo di chiusura permeabile è molto importante per la ventilazione naturale, in quanto determina la possibilità di controllo dell'area d'apertura e della direzione di flusso. Si descrivono, di seguito, gli effetti sui flussi d'aria dei principali tipi di chiusura (chiusure permeabili laterali, schermi, chiusure permeabili superiori) e relative modalità d'apertura.

 
Chiusure permeabili laterali

Comprendono diversi tipi di finestra, suddivisi per modalità d'apertura:

• a rotazione (su asse verticale od orizzontale)

Le finestre a rotazione su asse verticale, comprendenti la finestra a battente (singolo o doppio) e il bilico verticale, hanno la caratteristica di offrire la massima area d'apertura (pari al 90% di quella della chiusura, nella finestra a battente, e al 70% nel bilico) e di regolare la direzione di flusso in senso orizzontale (Figura 6a, b).
Le finestre a rotazione su asse orizzontale, comprendenti il vasistas, la ribalta e il bilico orizzontale, offrono un'area d'apertura ridotta (1/3 dell'area della chiusura nel vasistas e nella ribalta, 2/3 nel bilico), e regolano la direzione di flusso in senso verticale (Figura 6c, d).

• scorrevole (verticalmente od orizzontalmente)

Le finestre scorrevoli, sia verticali che orizzontali, possono avere un massimo del 50% d'area d'apertura rispetto all'area totale della chiusura, salvo per il tipo scorrevole orizzontale ad incasso. La regolazione della direzione di flusso avviene in senso verticale (Figura 6e) od orizzontale, secondo la modalità d'apertura.

• ad apertura combinata

Le finestre ad apertura combinata, quali il vasistas bilanciato (scorrevole + rotazione su asse orizzontale) e il vasanta (rotazione su asse orizzontale + rotazione su asse verticale), uniscono le caratteristiche di regolazione del flusso connesse con la modalità d'apertura adottata.

Figura 6 - Flussi d’aria attraverso vari tipi di finestre:
a), b): a doppia anta  (vista in pianta)
c) ribalta (vista in sezione)
d) vasistas (vista in sezione)
e) a scorrimento verticale (vista in sezione)


Immagini rielaborate dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.

 

Schermi

Gli schermi svolgono una funzione essenziale nella regolazione dei flussi d'aria per il raffrescamento, in quanto esplicano la funzione di controllo solare proprio nelle condizioni in cui è maggiore l'esigenza di ventilazione naturale. Gli effetti degli schermi sui movimenti d'aria variano in relazione al tipo e alla modalità di apertura.

Gli schermi esterni, generalmente più rigidi, svolgono funzioni di controllo sia della portata (mediante variazione dell'area d'apertura), sia della direzione di flusso.
Gli schermi interni, generalmente meno rigidi, agiscono prevalentemente sulla direzione ed hanno un effetto di riduzione della velocità media nell'ambiente interno.

• Gli schermi ad anta a rotazione hanno una notevole flessibilità di operazione, sia per il controllo della variazione dell'area d'apertura, sia per quello della direzione di flusso, purché siano fissabili a muro in posizioni variabili (Figura 7a); quelli ad anta scorrevole consentono unicamente la regolazione dell'area di apertura (Figura 7b).
• Gli schermi a doghe verticali dirigono il flusso d'aria in senso orizzontale (Figura 7c), mentre quelli a doghe orizzontali (tipo veneziana) lo dirigono in senso verticale (Figura 7d).
• Gli schermi avvolgibili controllano la portata del flusso d'aria attraverso la regolazione dell'area d'apertura e possiedono, quando non completamente chiusi, una permeabilità maggiore degli schermi a pannello (Figura 7e).

Figura 7 - Flussi d’aria attraverso vari tipi di schermi:
a) esterno a doppia anta  (vista in pianta)
b) ad ante scorrevoli ad incasso (vista in pianta)
c) doghe verticali  (vista in pianta)
d) doghe orizzontali (vista in sezione)
e) avvolgibile  (vista in sezione)

Immagini rielaborate dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.

Chiusure permeabili superiori

Le chiusure permeabili superiori possono essere suddivise in relazione alla loro collocazione sul tetto e alla giacitura del piano di apertura. Si distinguono:

• chiusure complanari al tetto (es. i lucernari);
• chiusure con piano d'apertura verticale (es. abbaini e finestre di tetti a shed);
• chiusure speciali (es. i torrini ad estrazione o a doppio flusso).

I lucernari su tetto piano hanno in genere copertura trasparente a cupola; per quanto riguarda la ventilazione, essi possono operare sostanzialmente come chiusure d'uscita del flusso. In tal caso, la chiusura d'entrata del flusso sarà posta in basso, su una parete esterna sopravento e in locali comunicanti con il sottotetto; il movimento d'aria sarà del tipo combinato vento + effetto camino.
I lucernari su tetto a falda possono svolgere entrambi le funzioni di regolatori d'ingresso o d'uscita del flusso d'aria in relazione all'inclinazione e alla posizione della falda stessa, rispetto alla direzione del vento.

Fino ad una pendenza di 22°, le falde del tetto sono in zona di depressione; quindi, la funzione prevalente di un lucernario collocato su tali falde è quella di regolatore del flusso in uscita; tuttavia, il tipo d'apertura a ribalta, tipico dei lucernari (per evitare infiltrazioni d'acqua) consente anche l'immissione del flusso d’aria che sale lungo la falda (Figura 8a).

Con pendenze maggiori di 22°, la falda è parzialmente in sovrappressione, perciò è possibile realizzare una ventilazione passante a livello di sottotetto tra due o più lucernari (Figura 8b) collocati, rispettivamente, sulla falda sopravento e su quella sottovento del tetto.

Nel caso di lucernari con piano d'apertura verticale, l'inclinazione della falda ha un'influenza minima sulle caratteristiche di regolazione dei flussi d'aria, che dipendono soprattutto dall'orientamento della chiusura stessa rispetto alla direzione prevalente del vento. In condizioni favorevoli, si può produrre un flusso d'aria in ingresso maggiore che in una chiusura laterale (Figura 8c), generando una ventilazione passante di sottotetto molto efficace, se sono collocati lucernari anche sulla falda sottovento.
 
Figura 8 - Flussi d'aria attraverso chiusure esterne permeabili poste su un tetto a falde:
(a) e (b) lucernari; (c) abbaini
 
Immagini rielaborate dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.

Infine, esistono chiusure permeabili superiori speciali finalizzate ad aumentare i flussi d'aria entranti e uscenti da un edificio, senza l'aiuto di ventilatori. Tra queste vi sono i torrini di ventilazione e i camini solari.

I torrini possono essere a doppio flusso e ad estrazione e sono concepiti per edifici residenziali unifamiliari, ma possono anche essere utilizzati in edifici multipiano, sia residenziali, sia per uffici, ma limitatamente all'ultimo piano.
Il torrino a doppio flusso (Figura 9) è suddiviso in due condotti: uno per l'ingresso del flusso d'aria (generato dal vento), l'altro per l'uscita del flusso. Ingresso e uscita del flusso avvengono tramite serramenti su piano verticale con apertura a doghe orientabili.
La pendenza del tetto deve essere di almeno 25°, in modo da garantire che non si creino zone di sottopressione vicino all'apertura d'ingresso del flusso. Un limite di tale chiusura è la possibilità che vi sia un ricircolo dell' aria alla base dei condotti, prima che l'ambiente sia stato completamente ventilato. Per tale motivo la base dei condotti è più bassa dell'intradosso dell'ultimo solaio e spesso vengono installati dei ventilatori a soffitto nell' ambiente sottostante il sottotetto.
 
Figura 9 - Torrino a doppio flusso per lo sfruttamento combinato vento + effetto camino.
Immagine rielaborata dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.
 


Il torrino ad estrazione (Figura 10) sfrutta l'effetto Bernoulli-Venturi, per aumentare l'effetto di risucchio prodotto dal camino termico. I serramenti della chiusura, posti in verticale su pareti contrapposte, sono dotati di sistemi d'apertura unidirezionali, che non permettono all'aria di entrare dal lato sopravento, mentre ne consentono l'uscita sul lato sottovento.
 
Figura 10 - Torrino ad estrazione, con sfruttamento dell'effetto Bernoulli-Venturi per favorire la ventilazione da camino termico.
Immagine rielaborata dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.
 
Il camino solare sfrutta la differenza di temperatura che si crea tra l'aria in ambiente e quella che passa attraverso un collettore solare (Figura 11a), o un lucernario-serra (Figura 11b), al fine di estrarre l'aria che sale per effetto della differenza di densità. Il camino solare può anche essere realizzato su parete verticale, soluzione applicabile in edifici multipiano destinati a uffici, per incrementare la ventilazione dei piani inferiori.
 
Figura 11 - Schemi di camino solare
a) a collettore solare
b) a lucernario-serra
 
Immagine rielaborata dall'Ingegner Palma, con riferimento a M. Grosso, “Il raffrescamento passivo degli edifici in zone a clima temperato”, Ed. Maggioli, 2008.