Raffrescamento evaporativo degli edifici : sperimentazione in laboratorio e progettazione di un sistema PDEC in ediici residenziali esistenti

Alessio Bogni, Giacomo Garavaglia

Raffrescamento evaporativo degli edifici : sperimentazione in laboratorio e progettazione di un sistema PDEC in ediici residenziali esistenti.

Rel. Mario Grosso, Giacomo Chiesa. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile, 2015

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Abstract:	INTRODUZIONE Il surriscaldamento globale con il conseguente innalzamento delle temperature e gli squilibri stagionali del clima sono tematiche diventate ormai (tristemente) protagoniste della vita di tutti i giorni. L'estate trascorsa ha lasciato numeri da record all'interno delle banche dati metereologiche e il gran caldo ha portato disagi non indifferenti. Tutte le prospettive energetiche mondiali future presentano un significativo aumento del consumo energetico nei prossimi decenni. La U.S. Energy Information Administration (EIA) ha evidenziato che "il consumo di energia dei paesi sviluppati aumenterà del 49% tra il 2007 e il 2035". La prospettiva a scala globale sulle tecnologie, pubblicata dal World Energy Council (WEC, 2004), dichiara che il consumo di energia mondiale è destinata a raddoppiare entro il 2030, in particolare modo è previsto un aumento significativo della dipendenza dai combustibili fossili come il carbone, il petrolio, e il gas naturale. Questo desta enormi preoccupazioni sull'innalzamento del surriscaldamento globale. La ventunesima Conferenza delle parti (Cop 21) si appresta dunque in questi giorni ad affrontare il tema del cambiamento del clima. Un nuovo rapporto di Oxfam lancia infatti l'allarme sugli enormi costi per i Paesi in via di sviluppo, con un aumento medio delle temperature previste di 3°C. Per l'esattezza se non verranno mantenuti gli impegni sul taglio delle emissioni in atmosfera sarà di 790 miliardi di dollari il costo che i Paesi in via di sviluppo dovranno sostenere per adattarsi agli effetti di un clima sempre più fuori controllo di qui al 2050. Come ribadiva un filosofo spagnolo: "lo sono me più il mio ambiente e se non preservo quest'ultimo non preservo me stesso. " José Ortega Y Gasset La citazione presuppone la tutela dell'ecosistema per la salvaguardia del genere umano e di tutti i suoi prossimi correggendo gli errori compiuti dai nostri predecessori. Proprio partendo da questo bisogno, la seguente tesi si pone l'obiettivo di analizzare, testare e progettare l'efficacia del sistema di raffrescamento in edifici esistenti come tecnologia innovativa e sostenibile in grado di contrastare al surriscaldamento globale sopra enunciato. Il settore delle costruzioni, di cui sono compresi sia gli edifici residenziali sia commerciali, rappresenta la più grande fonte di consumo energetico, questi infatti consumano più del 40% del quantitativo totale di energia nel mondo (WEC, 2004) e, di una quota di poco inferiore, delle emissioni di gas serra climaIteranti. È dunque necessario un nuovo linguaggio architettonico, che annoveri nel proprio dizionario: il risparmio energetico, l'uso di materiali ecosostenibili e soprattutto l'utilizzo di fonti di energia rinnovabile. È fondamentale incentivare l'utilizzo di tecnologie rinnovabili che contribuiscano alla riduzione del consumo energetico globale partendo I dalla diminuzione di domanda di energia elettrica. La stessa Direttiva Europea 2002/91/CE "Sul rendimento energetico nell'edilizia" cita la rapida crescita dei sistemi di condizionamento estivo dell'aria come elemento di stress per i sistemi elettrici dei Paesi Europei: "questo crea considerevoli problemi nei periodi di picco della domanda di energia elettrica, aumentandone il costo e sconvolgendo il bilancio energetico in questi Paesi. Occorre dare priorità a strategie che migliorino le prestazioni termiche degli edifici durante il periodo estivo. A questo scopo è auspicabile un ulteriore sviluppo delle tecniche dii raffrescamelo passivo, in particolare quelle che migliorano le condizioni I di comfort interno e il microclima attorno agli edifici". A questo proposito fanno testo le tecnologie alternative che consentono all'edificio di raggiungere un alto rendimento con un basso consumo al fine di affrontare i problemi energetici del mondo. La richiesta di utilizzo dell'aria condizionata negli edifici causata dalle alte temperature registrate negli ultimi anni è aumentata radicalmente su tutto il globo causando così di logica un aumento del consumo energetico con un notevole impatto ambientale, tutto questo nonostante la ricerca abbia trovato soluzioni in parte e siano stati realizzati miglioramenti sostanziali in termini di efficienza su questi impianti. Di conseguenza, l'aumento dei costi energetici e un crescente desiderio obbligato di ridurre le emissioni di anidride carbonica ha portato ad una focalizzazione sulle fonti energetiche rinnovabili e sulle tecnologie innovative. L'impiego delle tecnologie di raffresca mento passivo negli edifici aumenta la sostenibilità degli stessi, ottenendo vantaggi economici e ambientali garantendo comunque le condizioni di comfort necessarie. Con l'attuazione di un sistema di raffrescamento evaporativo si prevede di raggiungere un significativo risparmio energetico, se confrontato tra le molteplici tecnologie passive. Si tratta di uno dei più antichi mezzi di raffresca mento nella civiltà, comunemente usata per il raffresca mento degli edifici nelle regioni calde e aride in quanto richiede meno costi ed energia e impiego di risorse rispetto a molte altre applicazioni. Esistono diverse tipologie che utilizzano tale tecnica. Di conseguenza le sue applicazioni si sono rivelate come valida alternativa al raffreddamento meccanico tradizionale, raggiungendo nella maggior parte dei casi l'obiettivo primario di creare un sistema a basso consumo e un notevole miglioramento dell'ambiente interno. Tuttavia il principale inconveniente dei sistemi PDEC riguarda la loro non verificata efficacia in climi diversi da quelli caldi e aridi in quanto fino ad oggi le applicazioni testate si sono limitate a tali condizioni atmosferiche. Gli studi effettuati in passato e i dati sperimentali in letteratura non forniscono informazioni sufficienti per sostenere fino in fondo le potenzialità di questa tecnologia in zone temperate. Questo studio mira quindi a comprendere i fondamentali processi di raffreddamento evaporativo all'interno dei sistemi PDEC e a valutarne le potenzialità nel contesto Torinese mediante l'applicazione sperimentale! nel Laboratorio LaSTIn del DAD di un prototipo di torretta a flusso! discendente creato tramite l'evaporazione dell'acqua nebulizzata da un ugello. La tesi intende sottolineare le potenzialità di tale sistema in un ambiente diverso da quello in cui solito essere applicato e si pone come obiettivo basilare lo studio e la definizione di strategie progettuali e tecnologiche per l'affermazione a larga scala di pratiche architettoniche ecocompatibili riguardo al raffrescamento passivo con sistema PDEC (Passive Downdraught Evaporative Cooling) in grado di sostituirsi agli energivori condizionatori d'aria. L'elaborato si compone di tre parti, di cui ciascuna è la naturale prosecuzione della precedente: 1 La prima parte comprende lo studio teorico basato dall'emergenza energetica mondiale con particolare riguardo aliai situazione della climatizzazione estiva. Si passa poi all'approfondimento del concetto generale dii raffrescamento passivo, evidenziando la tecnica evaporativa coni le relative tipologie, le classificazioni geometriche e la loro I integrazione architettonica nel contesto residenziale. Di seguito si espongono 3 casi studio significativi essenziali per la I completa stesura della tesi: -Progetto di ricerca Joule III; -Evapcool in appartamenti a Siviglia; -Nottingham House. Per ultimo, a conclusione della parte analitica, sono classificate lei tipologie edilizie residenziali ramificate nel tessuto torinese, coni la catalogazione di tutte le possibili applicazioni del PDEC ini ciascuna varietà edilizia. 2 La seconda parte è di matrice rigorosamente tecnica, in cui viene I descritto il prototipo sperimentale realizzato nel periodo a cavallo tra Luglio e Agosto 2015 presso il "Laboratorio di Sistemi Tecnologici Innovativi LaSTIn" (DAD, Politecnico di Torino) su cui sono state svolte le misurazioni, e raccolti i dati, relativamente al funzionamento di una torretta evaporativa a caduta d'aria (PDEC) posta nelle rea li condizioni del contesto climatico Torinese per un totale di 5 giorni. Successivamente, i dati raccolti sono stati analizzati e inseriti nel Diagramma Bioclimatico di Givoni per lo studio sulle condizioni di comfort termoigrometrico. 3 L'ultima parte analizza e elabora la possibile integrazione del sistema di raffrescamento PDEC preso in esame all'interno di un complesso residenziale esistente, sito nel comune di Beinasco (Torino). Per prima cosa viene descritto il progetto mediante una preliminare analisi di sito, e una successiva analisi dell'edificio, in cui si evidenziano i caratteri tipologici e morfologici del la struttura e le tecnologie innovative adoperate dal progettista. Di conseguenza, in base ai dati sperimentali e alla valutazione delle prestazioni che sono state precedentemente svolte, si è passato al calcolo della portata d'aria per il raffrescamento di due tipologie di alloggi e i relativi apporti di calore. I molteplici valori richiesti sono serviti per il calcolo del dimensionamento della sezione del condotto e delle aperture di ventilazione. Per ultimo, si è progettato il sistema PDEC integrato con il complesso residenziale, concepito come rivestimento dell'impianto in grado di inserirsi armonicamente con il progetto architettonico dell'edificio e rappresentare un elemento caratterizzante di integrazione della componente tecnologica applicata. Infine, vengono analizzati vantaggi tecnici e economici su questo tema, utile per far progredire ulteriormente questi sistemi in uno studio futuro più approfondito. Abstract in italiano (PDF, 644kB - Creative Commons Attribution) Abstract in inglese (PDF, 649kB - Creative Commons Attribution)
Relatori:	Mario Grosso, Giacomo Chiesa
Tipo di pubblicazione:	A stampa
Soggetti:	A Architettura > AO Progettazione S Scienze e Scienze Applicate > SH Fisica tecnica
Corso di laurea:	Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile
Classe di laurea:	NON SPECIFICATO
Aziende collaboratrici:	NON SPECIFICATO
URI:	http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/4363
Capitoli:	INDICE INTRODUZIONE PARTE 1 - INTRODUZIONE AL RAFFRESCAMELO PASSIVO 1. EMERGENZA AMBIENTALE 1.1 EMERGENZA ENERGETICA PER LA CLIMATIZZAZIONE ESTIVA 1.2 EFFETTI NOCIVI DEI GAS REFRIGERANTI 1.2.1 EMISSIONI IN EUROPA DEI GAS REFRIGERANTI IN ATMOSFERA 2. RAFFRESCAMENTO PASSIVO 2.1 CONTROLLO TERMICO 2.2 MODULAZIONE DEI GUADAGNI TERMICI 2.3 DISSIPAZIONE VERSO POZZI TERMICI 2.3.1 RAFFRESCAMENTO GEOTERMICO 2.3.2 RAFFRESCAMENTO RADIATIVO 2.3.3 RAFFRESCAMENTO MICROCLIMATICO 2.3.4 RAFFRESCAMENTO EVAPORATIVO 2.4 ULTERIORI PARAMETRI DI CLASSIFICAZIONE 2.4.1 TECNICA DI VENTILAZIONE 2.4.2 SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DELL'ARIA 3. RAFFRESCAMENTO EVAPORATIVO PDEC 3.1 SISTEMI PDEC 3.1.1 TORRE WETPAD CON PANNELLI SATURI D'ACQUA 3.1.2 TORRE CON GETTO A DOCCIA 3.1.3 SISTEMA A PANNELLI DI CERAMICA POROSA 3.1.4 TORRE A GETTO NEBULIZZATO 3.2 CLASSIFICAZIONE MORFOLOGICA 3.2.1 ATRIO CENTRALE (APERTO) 3.2.2 VANO CENTRALE (CHIUSO) 3.2.3 LA TORRE PERIMETRALE (ATTACCATA) 3.2.4 LA TORRE PERIMETRALE (DISTACCATA) 4. INTEGRAZIONE ARCHITETTONICA 4.1 INTERVENTI MINORI 4.2 INTERVENTI INTERMEDI 4.3 INTERVENTI MAGGIORI 5. ANALISI DI 3 CASI SIGNIFICATIVI 5.1 PROGETTO DI RICERCA JOULE III 5.2 EVAPCOOL IN APPARTAMENTI A SIVIGLIA 6. ANALISI DEGLI EDIFICI RESIDENZIALI 6.1.1 EDIFICI ISOLATI 6.1.2 EDIFICI A SCHIERA 6.1.3 EDIFICI A CORTE 6.1.4 EDIFICI A TORRE 6.1.5 EDIFICI IN LINEA (A BALLATOIO) 6.2 TABELLA TIPOLOGICA PARTE 2 - SPERIMENTAZIONE E ANALISI DEI DATI 7. APPLICABILITA DEL PDEC SULLA BASE DEI DATI CLIMATICI 7.1 CONTESTO EUROPEO 7.2 CONTESTO ITALIANO 7.3 CONTESTO TORINESE 8. IL SISTEMA SPERIMENTALE 8.1 DESCRIZIONE DELL'IMPIANTO PDEC 8.2 STRUMENTAZIONE 9. ANALISI DEI DATI 9.1 PRIMO GIORNO 30 luglio 2015 9.2 SECONDO GIORNO 31 luglio 2015 9.3 TERZO GIORNO 5 agosto 2015 9.4 QUARTO GIORNO 6 agosto 2015 9.5 QUINTO GIORNO 7 agosto 2015 10. CONSIDERAZIONI FINALI 10.1 COMFORT TERMOIGROMETRICO 10.1.1 APPLICAZIONE DEL METODO GIVONI PARTE 3 - IL PROGETTO 11. DESCRIZIONE DI PROGETTO 11.1 ANALISI DI SITO 11.2 ANALISI DELL'EDIFICIO 12. METODI UTILIZZATI PER DIMENSIONARE IL VANO PDEC IN PROGETTO 12.1 CALCOLO DELLA PORTATA DARIA PER IL RAFFRESCAMENTO 12.2 APPORTI DI CALORE ALL'INTERNO DELLO SPAZIO 12.2.1 APPORTI LEGATI ALLA RADIAZIONE SOLARE 12.2.2 APPORTI INTERNI 12.3 TEMPERATURE DEL CLIMA ESTIVO TORINESE 12.4 PREDIMENSIONAMENTO DELLA SEZIONE DEL CONDOTTO E DELLE APERTURE DI VENTILAZIONE 12.5 CALCOLO DELLA PORTATA D'ARIA PER L'EFFETTO CAMINO NOTTURNO 13. DIMENSIONAMENTO DELLA TORRETTA 13.1 APPARTAMENTO TIPO 1 13.1.1 APPORTI SOLARI TIPICI DELL'UNITÀ 1 13.1.2 PORTATA D'ARIA PER IL RAFFRESCAMENTO DELL'UNITÀ 1 13.1.3 PREDIMENSIONAMENTO DI VANO E APERTURE 13.1.4 PORTATA D'ARIA PER EFFETTO CAMINO E RAFFRESCAMENTO NOTTURNO 13.2 APPARTAMENTO TIPO 2 13.2.1 APPORTI SOLARI TIPICI DELL'UNITÀ 2 13.2.2 PORTATA D'ARIA PER IL RAFFRESCAMENTO DELL'UNITÀ 2 13.2.3 PREDIMENSIONAMENTO DI VANO E APERTURE 13.2.4 PORTATA D'ARIA PER EFFETTO CAMINO E RAFFRESCAMENTO NOTTURNO 14. IPOTESI DI COMFORT ALL'INTERNO DEGLI APPARTAMENTI 15. SISTEMA PDEC UTILIZZATO 15.1 STRUTTURA DEL SISTEMA DI RAFFRESCAMENTO 15.2 INTEGRAZIONE NEL COMPLESSO RESIDENZIALE 16. ANALISI ENERGO-ECONOMICA CONCLUSIONI BIBLIOGRAFIA ARTICOLI TESI ALLEGATI ALLEGATO 1 - PIANTE ALLEGATO 2 - PROSPETTI ALLEGATO 3 - DETTAGLI COSTRUTTIVI ALLEGATO 4- FOTOINSERIMENTI SCHEDE TECNICHE
Bibliografia:	BIBLIOGRAFIA 1. Bowman N.T., Eppel H., Lomas K., Robinson D. & Cook M.J., (2001 ), Passive Downdraught Evaporative Cooling -I. Concept and precedents, Indoor and Built Environment, in Press. 2. Butera F., (1995), Architettura e Ambiente, Etaslibri, Milano. 3. Chen Q. & Glicksman L.R., (2003), System Performance Evaluation and Design Guidelines for Displacement Ventilation, ASHRAE, Atlanta. 4. Castelli L., (2008), Architettura Sostenibile, UTET wolters Kluver Italia S.r.l., Milano. 5. Cook J., (2000), Passive cooling, The MIT Press, Cambridge. 6. Cook M.J., Robinson D., Lomas K. & Bowman N.T., (2001), Passive Downdraught Evaporative Cooling - II. Airflow Modelling, Indoor and Built Environment, in Press. 7. Cunningham W.A. & Thompson T.L., (1989), Passive Cooling with Natural Draft Cooling Towers in combination with Solar Chimney, Proceedings PLEA, Hungary. 8. ENEA, (2013), Rapporto Energia Ambiente: Scenari e strategie, Edizioni ENEA, Roma. 9. 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