Architettura bioclimatica, l'influenza del microclima

Architettura bioclimatica, l’influenza dei parametri del microclima sul progetto

Architettura bioclimatica, in questo articolo analizziamo l’effetto dei parametri del microclima sulla progettazione sostenibile

La progettazione volta al risparmio energetico e alla sostenibilità deve essere una progettazione attenta alle condizioni al contorno e capace di “sfruttare” le risorse che l’ambiente offre.

Una progettazione attenta al contenimento dei consumi energetici e al comfort abitativo, capace di sfruttare le risorse naturali locali e il clima, si fonda generalmente su un approccio bioclimatico, mirando a controllare contemporaneamente tre livelli: climatico-ambientale, tipologico e tecnico-costruttivo.

Diventa quindi fondamentale la conoscenza del comportamento delle strutture e degli impianti in differenti condizioni di clima e di radiazione solare e, in particolare, delle quantità di energia realmente incidenti il sistema, insieme alle effettive condizioni meteorologiche in cui opera il dispositivo stesso.

Una progettazione efficiente da un punto di vista energetico dovrebbe prevedere le seguenti fasi:

  1. analisi del clima e valutazione degli effetti, evidenziando l’importanza dei diversi elementi climatici e le eventuali criticità
  2. individuazione delle soluzioni tecniche applicabili
  3. combinazione di tali soluzioni con la definizione progettuale dell’impianto

 La definizione del clima e dei parametri metereologici

Gli elementi che caratterizzano il tempo e il clima sono gli stessi ma, mentre il tempo atmosferico rappresenta una combinazione locale e momentanea dei fattori meteorologici, il clima corrisponde all’insieme dei tipi di tempo atmosferico che si succedono abitualmente nel corso dell’anno in una data regione.

Per poter stabilire il clima di una regione o di una località occorre infatti disporre delle osservazioni meteorologiche protratte per un lungo periodo. Da questa lunga serie di dati si può ricavare la serie di condizioni meteorologiche che si verificano con maggior frequenza nei diversi periodi dell’anno ottenendo appunto il clima di quella regione o località.

Le informazioni sul clima possono essere valutate ai tre differenti livelli , utilizzando come scala climatica l’estensione della zona considerata. Di conseguenza si parla di

  • macroclima
  • mesoclima
  • clima locale
  • microclima

In genere, si definisce macroclima il clima corrispondente a vaste regioni (es. macroclima per il bacino mediterraneo, etc.), facendo riferimento ai valori medi dei parametri geografici e meteorologici che le corrispondono. Un maggiore dettaglio è possibile passando ad analizzare regioni meno estese, caratterizzate quindi da un proprio mesoclima (ad es. il mesoclima che caratterizzano le zone costiere e quelle montane).

Scendendo ancor più nel dettaglio si parla di clima locale e microclima: ad esempio la deforestazione, l’urbanizzazione, la cementificazione del territorio hanno un impatto locale non secondario.

Architettura bioclimatica e fattori che influenzano il clima

I fattori principali dell’instaurarsi di un determinato clima in una regione terrestre sono di carattere astronomico e di carattere geografico. Su questi agisce, inoltre, l’atmosfera terrestre con i fenomeni che in essa generano come venti, nubi, diffusione della radiazione, etc.

I fattori astronomici sono responsabili del diverso angolo di incidenza della radiazione solare in luoghi diversi e in periodi dell’anno diversi. I moti terrestri combinati con la forma ellittica dell’orbita, l’inclinazione dell’asse e forma sferica del pianeta hanno come conseguenze una diversa distribuzione dell’energia solare sulla superficie terrestre, determinando così il cambiamento delle stagioni, la variazione nel corso dell’anno della lunghezza del giorno e della notte.

La quantità di energia solare che incide in un certo luogo dipende dal momento dell’anno e dalla latitudine.

La latitudine è il parametro fondamentale che descrive la disponibilità di radiazione solare, ma non è sufficiente a caratterizzare il clima di un sito. I fattori geografici locali come la presenza di masse d’acqua, la presenza di sistemi montuosi e il loro orientamento, l’esposizione topografica del sito (maggiore o minore protezione rispetto ai venti o alle correnti marine), la natura del terreno etc., influenzano notevolmente.

Per definire il clima di un luogo, pertanto, si devono considerare i parametri fisici che permettono di determinare le condizioni in cui si trova l’atmosfera in quel sito. I principali parametri utilizzati sono la temperatura e l’umidità relativa dell’aria, il livello delle precipitazioni, la velocità e la direzione del vento, l’intensità della radiazione solare. Data la variabilità delle condizioni meteorologiche per le diverse grandezze si utilizzano valori mediati su lungo periodo in modo da avere una descrizione statisticamente significativa ossia effettivamente rappresentativa delle condizioni ambientali. La base temporale deve essere sufficientemente ampia, nell’ordine dei 20-30 anni.

Architettura bioclimatica e radiazione solare

La fonte primaria di energia per la Terra è costituita dalla radiazione solare che arriva sulla superficie terrestre sia direttamente dal sole sia dopo essere stata diffusa dalle particelle (polveri, molecole gassose, aerosol) presenti nell’atmosfera. Si parla pertanto di radiazione diretta e di radiazione diffusa.

La componente diretta giunge secondo una direzione ben definita, mentre la componente diffusa è omnidirezionale. La somma delle radiazioni diretta e diffusa viene indicata come radiazione globale.

La radiazione incidente viene espressa in termini di potenza incidente per unità di superficie (W/m²), oppure di energia incidente per unità di superficie in un certo intervallo di tempo (J/m² oppure Wh/m²).

Si deve inoltre ricordare che l’intensità della radiazione dipende dall’angolo di incidenza secondo la legge del coseno, cioè la radiazione è maggiore se la superficie su cui incide è perpendicolare alla direzione dei raggi solari. In genere, le stazioni meteo rilevano l’intensità su superficie orizzontale.

Conseguentemente, l’intensità della radiazione dipende principalmente dalla latitudine del luogo considerato: elevate intensità si hanno intorno all’equatore nella fascia compresa tra i tropici dove il sole rimane sempre vicino allo zenit. Al crescere della latitudine l’intensità della radiazione sarà più bassa.

La radiazione fuori dell’atmosfera non varia nel tempo e vale con buona approssimazione 1353 W/m² (costante solare). I valori di radiazione sulla superficie terreste, invece, sono sensibilmente minori a causa dell’assorbimento e della riflessione della radiazione da parte dell’atmosfera e, in particolare, quanto maggiore è il percorso dei raggi solari attraverso l’atmosfera, tanto minore è l’intensità della radiazione globale che arriva al suolo. La lunghezza di tale percorso varia infatti con l’inclinazione dei raggi ossia in funzione della latitudine, della stagione, dell’ora del giorno.

L’intensità della radiazione dipende, inoltre, dalla torbidità dell’atmosfera cioè dal contenuto di vapore d’acqua, polveri, corpuscoli e gas inquinanti che compongono l’atmosfera locale.

Architettura bioclimatica e temperatura dell’aria

La temperatura è una grandezza fondamentale nella definizione dello stato termodinamico dell’aria atmosferica.

Essa è fortemente variabile nello spazio e nel tempo. In un determinato sito le variazioni caratteristiche della temperatura su scala giornaliera e annuale sono conseguenti alle variazioni delle condizioni di insolazione, pur essendoci dipendenza diretta dalla presenza di vento e pioggia.

L’entità della variazione diurna della temperatura dipende dalle condizioni di copertura del cielo. Nei giorni sereni la grande quantità di radiazione disponibile produce una notevole variazione giornaliera della temperatura, mentre nei giorni coperti la variazione è minore.

Il massimo di temperatura in genere si verifica intorno alle ore 14-15, con un ritardo rispetto al massimo di insolazione. L’aria, infatti, non si riscalda direttamente per azione della radiazione, ma viene riscaldata per scambio convettivo dal terreno e dalle altre superfici esposte al sole.

Il minimo di temperatura si ha invece durante le ultime ore della notte-prime ore del mattino dopo che la superficie terrestre ha raggiunto i minimi valori di temperatura a causa del suo raffreddamento per radiazione verso la volta celeste e i raggi solari non hanno ancora iniziato a riscaldarla.

Su scala annuale la temperatura ha un andamento che presenta un massimo circa 30-40 giorni dopo il periodo di massima insolazione corrispondente al solstizio estivo e un minimo circa 30 giorni dopo il solstizio invernale, ciò a causa dell’inerzia termica del sistema per cui l’aria varia la sua temperatura dopo che l’ha variata la superficie terrestre. Di conseguenza il periodo più caldo dell’anno è quello tra luglio e agosto mentre le temperature più basse si raggiungono in gennaio.

La temperatura, inoltre, varia con la quota, in genere con una diminuzione di circa 0,5 ÷ 0,8 °C per ogni aumento di 100 m di quota. La descrizione termica di un sito viene fatta utilizzando valori mediati nel tempo in modo da neutralizzare eventi eccezionali non rappresentativi del clima locale. Si definiscono temperatura media giornaliera, temperatura media mensile, temperatura massima e minima giornaliera, temperatura massima e minima annuale, a seconda dell’intervallo di tempo nel quale i dati sono mediati.

La differenza tra la temperatura massima e quella minima registrate in un certo intervallo di tempo viene detta escursione termica e anche in questo caso è necessario fare riferimento a valori medi.

Architettura bioclimatica e umidità relativa

Quando si parla di umidità atmosferica si vuole indicare la quantità di vapor d’acqua contenuta nell’aria atmosferica, come conseguenza dell’evaporazione dalle superfici principalmente di mari e oceani. Danno il loro contributo però anche tutte le altre superfici umide, la vegetazione e i corpi idrici minori come laghi, fiumi. Il vapore è poi distribuito sulla superficie terrestre dai venti.

Una massa d’aria non può contenere una quantità illimitata di vapore d’acqua, ma esiste una concentrazione limite funzione della temperatura in modo direttamente proporzionale. Oltre tale concentrazione, detta di saturazione, il vapore inizia a condensare. Spesso tale concentrazione limite viene espressa in termini di pressione parziale del vapore nella miscela e si definisce la pressione parziale di saturazione. Il contenuto di umidità in atmosfera è principalmente espresso come:

  • umidità assoluta, definita come il rapporto tra la massa di vapore contenuta in una determinata massa d’aria umida e il volume occupato da tale massa d’aria; la sua unità di misura sarà (g/m³)
  • umidità relativa, cioè il rapporto percentuale tra la quantità di vapore realmente presente nell’aria rispetto alla quantità massima che potrebbe essere presente, nelle medesime condizioni di pressione atmosferica e di temperatura dell’aria. Quando l’aria contiene la massima quantità di vapore è detta satura e la sua umidità relativa vale 100%

Da un punto di vista pratico il parametro più facilmente misurabile è l’umidità relativa ed essa è quella maggiormente utilizzata per indicare il contenuto di vapor d’acqua in atmosfera.

Quando la temperatura dell’aria si abbassa si riduce la sua capacità di contenere vapore, mentre aumenta la sua umidità relativa. La temperatura a cui si raggiungono le condizioni di saturazione viene detta punto o temperatura di rugiada.

Architettura bioclimatica e nuvolosità

La copertura nuvolosa di un dato sito ha sensibili ricadute sulla quantità e sulla qualità della radiazione termica e luminosa del Sole e del cielo. È possibile dedurre la presenza di nubi dall’indice di soleggiamento relativo ovvero dal rapporto tra ore di cielo sereno e lunghezza del giorno. Le ore di cielo sereno sono indicate dall’intervallo di tempo nell’arco della giornata in cui la radiazione solare raggiunge un certo valore (di solito pari a 200 W/m²) tale da essere registrata da un apposito strumento detto eliofanomentro. Il ricorso all’indice di soleggiamento relativo introduce in ogni caso l’approssimazione che la nuvolosità sia uniformemente distribuita in tutta la giornata e addirittura durante tutto il mese, poiché questo indice viene in genere fornito come valore medio mensile.

Architettura bioclimatica e precipitazioni

L’entità delle precipitazioni costituisce insieme a temperatura dell’aria e intensità della radiazione una delle grandezze fondamentali per la meteorologia. L’ammontare delle precipitazioni nelle diverse forme (pioggia, neve, grandine) viene espresso in millimetri d’acqua per unità di tempo (ora, giorno, anno); 1 millimetro equivale ad un litro d’acqua per m².

Oltre alle precipitazioni globali mensili o annuali importante è anche l’intensità della precipitazione, cioè la quantità di acqua caduta nell’unità di tempo (mm/h).

Architettura bioclimatica e vento

Con il termine vento indichiamo degli spostamenti di masse d’aria provocati da differenze di pressione atmosferica conseguenti ad un diverso riscaldamento della superficie terrestre (gradiente barico).

I parametri che caratterizzano il regime dei venti di un dato sito sono essenzialmente due: il modulo della la velocità e la sua  direzione.

La direzione viene individuata facendo riferimento ai punti cardinali e può essere espressa o in gradi (tra 0° e 360°, con 0° coincidente con il Nord) o in settori, generalmente 8 oppure 16 (rosa dei venti).

Per particolari applicazioni si può anche fare riferimento ad una velocità media del vento indipendentemente dalla direzione.

E’ da considerare che la velocità del vento, sia per quanto riguarda il modulo che la direzione, è molto variabile nel tempo.

E’ sempre bene, quindi, riferirsi a valori mediati in opportuni intervalli di tempo.

Per indicare l’intensità del vento si può fare riferimento anche alla scala dei venti Beaufort, messa a punto nel 1805 per la misura empirica della velocità del vento dall’Ammiraglio Beaufort, e adottata nel 1874 dal Comitato Meteorologico Mondiale.

 

 

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