Ottimizzazione del progetto di una serra bioclimatica attraverso la simulazione dinamica

Introduzione

La situazione ambientale e la necessità di uno sviluppo sostenibile.

Oggi i cambiamenti climatici riscontrati a partire dal secolo scorso diventano sempre più evidenti. Da molti decenni gli esperti mettono in guardia contro gli effetti irreversibili,per il pianeta e per gli uomini che lo abitano,di quattro macro-fenomeni, lo spreco di materie prime,l'abuso di fonti di energia fossile,l'inquinamento dell'aria, dell'acqua e del suolo,e infine la produzione di una insostenibile quantità di rifiuti. A ciò si deve sommare il rapido aumento della popolazione della terra che è passata da circa 1,5 miliardi di persone del 1900 ai 6 miliardi del 2000. La crescita esponenziale del numero di esseri umani che si dividono il pianeta pone, tra gli altri,problemi legati al loro nutrimento, alla loro necessità di una casa e alla qualità della loro vita,soprattutto nelle regioni meno sviluppate dove l'aumento della popolazione continua ad essere elevato. Nello stesso tempo l'impiego di materie prime e delle fonti di energia fossile ha conosciuto una progressione incontrollata che rischia di compromettere a breve termine lo sviluppo delle generazioni future.

A livello mondiale e ai tassi di consumo attuali il rapporto riserve/produzione indica che il petrolio tenderebbe ad esaurirsi in circa 40 anni,il gas naturale in 65 anni e il carbone in 155 anni .Tali numeri devono essere considerati come puramente indicativi,poiché va tenuto in conto che di anno in anno variano sia la quantità di riserve che la produzione,ma forniscono un metro di giudizio per comprendere la necessità di una rapida svolta verso l'impiego di risorse energetiche di tipo rinnovabile.

L'utilizzo a scala mondiale dei combustibili fossili è una delle principali fonti di inquinamento dell'acqua e dell'aria. Il riscaldamento del pianeta osservato dai climatologi ,e che in un primo momento è stato considerato con scetticismo, è essenzialmente legato dell'aumento del fenomeno dell'effetto serra provocato a sua volta dall'ampio uso dei combustibili fossili.

Incominciò a comparire per la prima volta il termine "sostenibilità" comparve per la prima volta in un rapporto redatto dalle Nazioni Unite e dal WWF e pubblicato nel 1980,ma il concetto di "sviluppo sostenibile" viene definito e assume una forma compiuta solo attraverso il cosiddetto" Rapporto Brundtland” del 1987.

Qui lo sviluppo sostenibile viene definito come:" lo sviluppo capace di soddisfare i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare i loro propri bisogni.

Il ruolo dell’architettura

Quando si parla di sviluppo sostenibile non è possibile esimersi dall'affrontare il problema del consumo dei combustibili fossili e della correlata produzione di CO2 attribuibili al settore dell'edilizia.

Infatti il settore delle costruzioni riveste un ruolo non trascurabile nel consumo energetico mondiale e nelle relative emissioni di gas nocivi ma presenta ampi margini per un significativo miglioramento dell'efficienza energetica e, in generale, della compatibilità con l'ambiente.

Il rapporto dell'IPCC15 (Intergovemmental Panel on Climate Change) stima che, a livello mondiale, gli edifici residenziali siano responsabili di circa il 21% delle emissioni di CO2 e quelli terziari del 10,5%: la maggior parte delle emissioni inquinanti sarebbe imputabile all'utilizzo dei combustibili fossili al fine di produrre energia termica per il riscaldamento e il raffrescamento degli ambienti.

Dagli anni settanta ad oggi la tendenza all'utilizzo di energia è in costante crescita, al ritmo del 3% annuo, con l'eccezione dell' Europa orientale, dove con il crollo dell'economia sovietica i consumi si sono significativamente ridotti. Per contro,si è assistito ad una tumultuosa crescita della domanda energetica dei paesi in via di sviluppo dell'Asia sud-occidentale in, particolare Cina e India.

L'Unione Europea indica che circa il 40% dei consumi energetici del vecchio continente siano imputabili al settore residenziale e terziario e che il riscaldamento degli ambienti sia di gran lunga l'uso finale più importante per gli edifici residenziali, seguito dal riscaldamento dell'acqua a fini igienico sanitari, da elettrodomestici e per illuminazione; per gli edifici terziari invece l'importanza del riscaldamento degli ambienti e dell'acqua è minore, mentre sono maggiori i consumi per l'illuminazione, per il funzionamento dei macchinari, per il raffrescamento e per la climatizzazione degli ambienti.

Le proiezioni dell'IPCC,nel 1994, mostravano che,in assenza di misure efficaci, a scala planetaria il consumo di energia negli edifici nel 2020 avrebbe potuto essere il doppio di quello registrato nel 1990.

Tuttavia,gli sforzi compiuti dalle varie istituzioni a livello europeo e mondiale hanno portato alla stesura di linee guida, come il Protocollo di Kyoto, in funzione del quale, in Europa, sono state varate una serie di leggi tra cui, di particolare importanza per il settore delle costruzioni, la direttiva Europea 2002- 9ICE, il cui rispetto da parte degli stati membri lascia prospettare la possibilità di una riduzione importante dei consumi energetici del settore edilizio, da ottenere attraverso l'impiego su vasta scala di tecnologie esistenti che permettano, in primo luogo di limitare il fabbisogno energetico degli edifici e, in seguito, di integrare l'uso di fonti rinnovabili riducendo o meglio evitando completamente l'uso di fonti energetiche non rinnovabili nella gestione energetica degli edifici. Infatti l'applicazione di strategie di sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili come quella solare, in edifici tradizionali può al massimo ridurre la dipendenza dell'edilizia dalle fonti energetiche non rinnovabili ma non può annullarla.

Probabilmente questo è un motivo per cui l'uso di queste strategie e questi sistemi per lo Sfruttamento delle energie alternative, nonostante l'ampia sperimentazione condotta negli anni passati, non è divenuta prassi comune nell'edilizia. Diversamente, l'applicazione di queste strategie ad edifici ben isolati, il cui fabbisogno energetico è ridotto a valori molto bassi, potrebbe permettere di coprire completamente o quasi il fabbisogno energetico dell'edificio.

Quindi, conformemente a quanto indicato dalle linee strategiche delle politiche intemazionali, un primo passo per garantire una più efficiente gestione energetica del settore delle costruzioni può essere compiuto attraverso la riduzione del fabbisogno energetico degli edifici con interventi mirati a migliorare le prestazioni termiche degli involucri edilizi. L'aumento drastico del valore di resistenza termica di tutti i componenti di chiusura, da quelli opachi a quelli trasparenti, permette infatti di ottenere riduzioni sensibili del fabbisogno energetico e quindi dei consumi, come dimostra l'esperienza degli edifici a basso consumo ormai ampiamente utilizzati nel centro-nord Europa. L'aspetto più interessante è che questo livello di riduzione dei consumi energetici, a cui corrisponde anche un effettivo risparmio economico per l'utente finale, si può ottenere con un uso più intenso di tecnologie semplici,già presenti sul mercato, la cui efficienza è stata già più volte dimostrata.

In secondo luogo è possibile ed auspicabile l'integrazione in edifici di questo tipo di sistemi di sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili per contribuire in modo significativo al mantenimento delle condizioni interne di confort ambientale.

Il potenziale energetico che il sole mette quotidianamente a nostra disposizione sembra inesauribile. La radiazione solare che raggiunge la massa terrestre è, da sola, di gran lunga superiore alla domanda energetica dell'intero pianeta. Ovviamente è impensabile poter sfruttare totalmente questo potenziale, ma sicuramente, in campo architettonico e con le attuali tecnologie, è possibile pensare di utilizzare l'energia solare come principale fonte energetica per riscaldare, raffrescare ed illuminare gli edifici.

Di architettura solare si parla fin dagli anni '70, quando sollecitati dalle ricerche e pubblicazioni di Victor Olgyay, dalla crisi petrolifera e dalle pionieristiche proposte di edifici progettati in relazione al clima locale,furono sperimentati svariati sistemi per lo sfruttamento dell'energia solare nel settore delle costruzioni.

Oggi è possibile affermare che i tempi sono ormai maturi per cambiare, almeno in campo architettonico, il modo di pensare e per intraprendere la strada verso uno sviluppo sostenibile e duraturo, basato sulle energie alternative, come la radiazione solare, la forza del vento e delle acquee le biomasse.

I metodi di sfruttamento dell'energia solare si possono dividere in due categorie: i sistemi attivi e quelli passivi.

I sistemi attivi sono quelli che prevedono un uso indiretto della radiazione solare, attraverso un processo di trasformazione in un'altra forma di energia, oppure lo svolgimento di un lavoro meccanico per il funzionamento del sistema. Tra questi si possono annoverare i sistemi fotovoltaici e i pannelli solari per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria.

I sistemi passivi si basano invece sullo sfruttamento diretto della radiazione solare che può essere utilizzata immediatamente per riscaldare gli ambienti interni dell'edificio oppure immagazzinata in elementi di accumulo che rilasciano gradualmente il calore in modo da mitigare i picchi di temperatura. Tra questi si possono citare le finestre solari, il muro di Trombe, il sistema Barra-Costantini, il "roof pond" e le serre solari.

L'utilizzo passivo della radiazione solare non richiede l'impiego di sistemi impiantistici. L'edifìcio sfrutta direttamente in modo autonomo l'energia solare in virtù della propria ubicazione e geometria, dei materiali e degli elementi che lo compongono. Questa è la forma di architettura solare più semplice e al tempo stesso più efficace. L'edificio e i suoi componenti vengono considerati come un "sistema" basato sullo sfruttamento del calore. Un'abile scelta del sito, la collocazione, la forma e l'orientamento, la disposizione calcolata delle finestre, di eventuali serre o muri di trombe, l'impiego di involucri ben isolati e al tempo stesso con buone capacità di accumulo termico, la scelta accurata dei materiali e delle strutture murarie sono i fattori che rendono possibile l'immagazzinamento del calore solare, il mantenimento delle condizioni confortevoli all'interno degli ambienti e lo sfruttamento ottimizzato della luce diurna.

Con poche e semplici regole l'architettura solare può rappresentare, anche in futuro, una efficiente fonte di guadagno e di conservazione dell'energia per il settore dell'edilizia. Il bisogno di calore può essere per la maggior parte coperto dall'energia solare riducendo l'utilizzo di fonti energetiche non rinnovabili e la conseguente produzione di CO2. Inoltre costruire e vivere con il sole significa anche maggior comfort dell'abitare. Gli ambienti interni, luminosi e inondati di luce hanno effetti commensurabili e positivi sugli esseri umani, sia sul piano fisiologico che psicologico. In questo senso il contributo dell'architettura solare non si limita al risparmio energetico e alla tutela dell'ambiente, ma migliora anche il comfort abitativo.

La tesi di laurea

In questo contesto di attenzioni al risparmio energetico e uso di tecnologie bioclimatiche, la tesi si occupa di approfondire diversi aspetti che riguardano la tecnologia della serra solare. L'intento è quello di analizzare la serra cercando di non limitare il discorso alle questioni di risparmio energetico e di sfruttamento passivo dell'energia solare, temi questi ampiamente affrontati in tutti i testi dedicati ai sistemi solari passivi, ma di estendere le riflessioni dalle questioni energetiche a quelle tecnologiche, di uso dello spazio serra che può essere concepita come un locale aggiunto al l'appartamento, in cui soggiornare temporaneamente in determinati periodi dell'anno e sulle implicazioni che il suo impiego comporta in termini di composizione architettonica dell'edificio a cui è collegata.

Il mio interesse per questi argomenti deriva da una riflessione personale sulla contrapposizione di due tipologie di serre, simili per quanto riguarda la tecnologia dell'involucro adottata, ma concepite con finalità molto differenti tra loro. Da una parte la serra ottocentesca, più comunemente detta "giardino d'inverno", addossata alle ville di campagna delle quali rappresentava l'ambiente più affascinante in cui soggiornare circondati da vari tipi di piante e scaldati, anche durante l'inverno, dal tepore della radiazione solare; dall'altra la serra bioclimatica degli anni '70 del secolo scorso, un sistema solare passivo concepito principalmente per massimizzare i guadagni termici gratuiti derivanti dalla radiazione solare, dove sia l'aspetto formale e compositivo sia l'uso di questi ambienti venivano posti decisamente in secondo piano. Oggi la serra solare dovrebbe essere concepita e progettata come "sintesi" tra le due tipologie appena descritte, ovvero combinando ai vantaggi energetici prodotti dallo sfruttamento dell'energia solare, tipico delle serre moderne, quelli della realizzazione di un ambiente gradevole in cui soggiornare a contatto con la natura e di una composizione architettonica elegante e raffinata tipica dei giardini d'inverno ottocenteschi.

L'obiettivo di questo lavoro, dopo aver acquisito sufficienti nozioni sulla corretta progettazione della serra come sistema solare passivo, è quello di valutare, attraverso due metodologie di calcolo mediante un analisi parametrica, trasformando la serra in un sistema tecnologico capace al tempo stesso di sfruttare il contributo energetico della radiazione solare, di costituire uno spazio gradevole in cui soggiornare e di contribuire, insieme ad altri elementi, alla composizione architettonica dell'edificio.

Pertanto, partendo dal mio interesse per l'impiego della serra solare nei secoli passati, il lavoro di tesi si apre con un tentativo di ricostruzione dell'evoluzione storica del concetto di serra solare, nata come ambiente per il riparo invernale e per la coltivazione di alcune piante esotiche e diventata, a partire dagli anni '70 del secolo scorso, un sistema solare passivo capace di contribuire al riscaldamento degli ambienti dedicati all'uomo.

La conclusione dell'approfondimento storico con l'analisi di alcune serre degli anni '60 trova la sua logica continuazione nel secondo capitolo, dedicato ad analizzare in modo dettagliato la serra come sistema solare passivo, individuando e analizzando specificatamente ogni sua parte, il sistema di captazione dell'energia solare, quello di accumulo e di trasferimento del calore e i sistemi di regolazione quali i sistemi di schermatura solare e di isolamento termico.

Nel terzo capitolo viene illustrata la parte più tecnica quella che riguarda le normative e la legislazione.

Nel quarto capitolo vengono spiegate le due metodologie di calcolo che possono essere utilizzate nel caso studio.

Nell’immaginario collettivo la serra solare è spesso vista come una tecnologia di derivazione nord-europea e si pensa che un suo uso alle nostre latitudini comporterebbe elevati problemi di surriscaldamento. Sicuramente la serra è un elemento architettonico piuttosto comune nei paesi nordici, perché permette di creare dei piacevoli giardini d'inverno protetti dalle rigide temperature esterne,ed è altrettanto vero che alle nostre latitudini questi spazi potrebbero surriscaldarsi oltremodo sia durante la stagione estiva sia durante le mezze stagioni, ma non per questo rappresenta una soluzione architettonica inutilizzabile sul territorio piemontese.

L'ultimo capitolo è proprio un tentativo di verificare l'impiego della serra sul territorio piemontese. Per questo motivo sono state analizzate le tipiche condizioni climatiche del territorio piemontese e le attuali leggi che regolamentano la realizzazione di questo sistema solare passivo. Le conclusioni della tesi si propongono di vedere come cambiano i vari dati della serra effettuando dei cambiamenti nei dati inseriti nell’analisi parametrica.