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ARCHITETTURA BIOCLIMATICA (1° parte)
 

terra e la vita

Alle diverse latitudini (calotte polari, zone temperate, tropici) ogni ambiente si distingue per i colori dominanti (azzurro dei ghiacciai, verde delle foreste, rosso dei deserti). Ma anche all’interno di ogni continente troviamo le alte vette innevate, boschi lungo le valli e le pianure verdi attraversate dai fiumi. A questa complessità è imposta una regola: la rivoluzione della terra attorno al suo asse che regola l’alternarsi del giorno con la notte e la rotazione della terra intorno al sole che stabilisce, invece, il ritmo delle stagioni. Infatti se una località è fredda o calda dipende dalla sua distanza relativa dal sole, dalle stagioni ma anche dall’umidità relativa, dai venti e dall’andamento delle perturbazioni. Il clima così influisce sulla vegetazione, la fauna e sull’energia disponibile per l’uomo.

 

Vita animale e riparo

La capacità di adattamento all’ambiente e al clima dimostrate del genere umano sono ben poca cosa alle capacità dimostrate da altre specie animali. Quando fa freddo, l’orso riduce il suo metabolismo passando ad uno stato di letargo. I pipistrelli sopravvivono a variazioni della sua temperatura corporea di 30 °C. L’elefante può raffreddare il suo sangue agitando le orecchie che hanno una struttura spugnosa. Il visone, quando fa freddo, cambia la sua pelliccia. Altri animali per superare il caldo torrido del deserto vivono di notte e di giorno rimangono rintanati sotto terra. I conigli collocano le loro tane sotterranee in relazione ai flussi del vento e al riparo dalle acque. Ma il genere che dimostra maggiore capacità di ingegnere sono gli uccelli. Costruiscono varie forme e raffinate configurazioni. Nidi aperti, nidi appesi che resistono al vento, nidi con ingresso dal basso per evitare la pioggia e i raggi solari. Nidi verticali “uno sopra l’altro” a condominio. Nidi in argilla per assicurare condizioni termiche più stabili. Esistono specie ancora più sorprendenti Le “termiti bussola”  che costruiscono i loro termitai come delle lastre (1 x 3 x 4 metri) sempre orientate lungo l’asse Est-Ovest per limitare l’esposizione a Sud e con un altezza pari a 400 volte la lunghezza del loro corpo. Tradotto in termini “umani” significherebbe costruzioni di oltre 700 metri di altezza.

 

Vita umana e riparo

Molti filosofi, ad esempio Aristotele, erano convinti che il clima avesse effetti sulla fisiologia e il temperamento umano. Altri studiosi hanno messo in relazione la storia umana con il clima. Giustificando periodi di evoluzione con fasi climatiche e spiegando le migrazioni con lo spostamento delle fasce climatiche. Ma è l’inventiva dell’uomo che consentì di vincere i rigori del freddo e l’ostilità del caldo. L’uomo imparò a scaldarsi con il fuoco e proteggersi dal sole e dalle piogge.

 

Adattamento del riparo al clima

Scriveva Vitruvio nel suo trattato De Architectura “lo stile degli edifici dovrebbe essere manifestamente diverso in Egitto e in Spagna, nel Ponto e a Roma e nei paesi e nelle regioni di diversa natura”. Molti secoli più tardi un altro studioso scriveva “La creazione di uno stato quasi termostatico nei nostri edifici dovrebbe essere considerato come uno dei più apprezzabili progressi nell’evoluzione degli edifici”.

 

Zone climatiche e costruzioni

Sulla superficie terrestre sono state individuate almeno cinque diverse zone climatiche corrispondenti a diverse ricoperture vegetali: foresta equatoriale, savana-steppa, deserto, foresta di latifoglie o di conifere, tundra. Queste diverse zone trovano soluzioni architettoniche simili nei diversi siti geografici. Ad esempio nel Nord USA, in Scandinavia o sull’Himalaya troviamo costruzioni in legno tetti non molto spioventi. In Africa o sulle Ande troviamo muri in argilla e paglia. In Messico o in Africa centrale pareti in pietra. Il tetto è un elemento determinante e c’è una marcata correlazione tra zone climatiche e tipologie di copertura. I tetti piani ricorrono in zone calde, i tetti inclinate in piovose e più fredde. Le cupole hanno anche valenza sacra e filosofica ma anche funzionale. Nei climi caldi e secchi, infatti, la cupola è piuttosto diffusa; l’aria è povera di umidità il cielo è limpido e si verificano forti scambi radiativi con la volta del cielo. La cupola ha una superficie semisferica di dimensioni pari a tre volte dell’area di base. In questo modo viene distribuita su maggior superficie la radiazione del sole, molto verticale in cielo,  e viene invece facilitata il raffrescamento notturno.

 

Assetto urbano e clima

Nei climi caldi e secchi, i villaggi si raccolgono su se stessi lasciando una minima superficie esposta al sole. Le unità abitative sono vicine così da creare cortili ombreggiati e freschi, le pareti degli edifici sono massicce in modo da rallentare le variazioni termiche.

Nelle zone tropicali la temperatura varia molto poco, il cielo è sempre pieno di umidità e molto piovoso. Perciò il tetto definisce l’ambito domestico, le capanne sono distanziate in modo che il vento le attraversi e le strutture sono sottili e con materiali leggeri così da asciugare velocemente.

In altre parti come le regioni temperate dell’Europa centrale gli edifici si adeguano a differenti variazioni con finestre ampie a Sud, coperture ben isolate e solide pareti ma, soprattutto, sistemi artificiali di climatizzazione costosi ed inquinanti.

 

Trovare un metodo

Il procedimento ideale per un approccio bioclimatico alla costruzione sarebbe quello di trovare l’armonia con le forze della natura. Per avvicinare gli elementi naturali alla nostra comprensione e utilizzarli a nostro beneficio si può procedere a partire dai dati climatici di una località. Poi determinare le esigenze biologiche della costruzione. Il terzo passo consiste nell’applicazione di soluzioni tecnologiche. Infine, combinati insieme, le informazioni aiutano ad elaborare la composizione progettuale. La sequenza è così ripartita: clima ® biologia ® tecnologia ® architettura. In particolare il procedimento può essere così descritto:

1) Analizzare i dati climatici (temperatura, umidità relativa, radiazione solare, effetti del vento) e studiare le particolare condizioni microclimatiche.

2) Interpretare i dati in chiave biologica per stabilire le condizioni di confort.

3) Individuare le soluzioni tecnologiche in base ad alcune premesse:

a.      scelta del sito (combinazioni di caratteristiche inverno-estate);

b.      orientamento (valutare la radiazione solare);

c.      calcoli delle ombre (differenziate per stagione e studio delle schermature);

d.      forma degli edifici (compatte, alte, …);

e.      movimenti dell’aria (intercettare le brezze estive e schermare i venti invernali, far circolare l’aria all’interno degli edifici);

f.        equilibrio della temperatura interna (isolamento, inerzia dei materiali, guadagno termico).

4) Applicazione architettonica (caratteristiche tipologiche e forma dell’edificio).

I punti definiti nel precedente elenco non sono consigli perché molti sono i modi di affrontare la ricerca del confort in architettura.

 

Effetti del clima sull’uomo

L’energia e la salute dell’uomo dipendono dal clima. E’ esperienza comune reagire bene o male a diverse giornate che deprimono il nostro lavoro o a giornate che invece rinvigoriscono le nostre attività. Vi sono effetti misurabili come produttività, salute, malattia in funzione delle condizioni climatiche. Ad esempio in estati fresche non c’è riduzione della produttività. Mentre si possono leggere le conseguenze della mortalità dovute a malattie derivate da fattori climatici. Alle diverse latitudini si hanno periodi favorevoli e meno favorevoli per la salute.

 

Edifici e ambiente

L’ambiente può essere definito con molti parametri: luce, suono, spazio, clima,… Tutte le grandezze agiscono sul corpo umano che può assorbire o reagire agli effetti delle condizioni esterne. Pertanto l’uomo cerca le condizioni ideali dove la maggior parte dell’energia è disponibile per la produttività. Le condizioni possono essere ottenute costruendo l’ambiente a misura di esigenze bio-fisiche. Esso dovrebbe filtrare, assorbire o respingere gli elementi ambientali per raggiungere l’equilibrio termo-fisico.

I principali elementi sono: temperatura dell’aria, radiazione superficiale, movimento dell’aria e umidità relativa. Non si possono sottovalutare la chimica dell’aria, la carica elettrica dell’ambiente, le interferenze psico-fisiche.

Gli scambi termici tra uomo e ambiente sono di quattro tipi: irraggiamento, conduzione, convezione ed evaporazione. Si può ipoteticamente calcolare che l’irraggiamento rappresenti circa 2/5 della dispersione, la convezione altri 2/5 e l’evaporazione il restante 1/5. Ma assieme alla dispersione c’è il guadagno di calore, questo un possibile bilancio:

GUADAGNI   DI CALORE                                      PERDITE DI CALORE

1) Calore prodotto per:                                           4) Evaporazione:                            

attività fisica                                                             dall’apparato respiratorio                          

processi digestivi                                                    dalla pelle     

tremito muscolare

2) Assorbimento di energia radiante:                   5) Irraggiamento verso l’esterno:

dal sole                                                                     verso il cielo

da radiatori                                                              verso oggetti più freddi

da oggetti caldi

3) Conduzione verso il corpo:                                6) Conduzione termica dal corpo:

dall’aria                                                                     verso l’aria

per contatto                                                              per contatto con oggetti più freddi

Questa energia deriva dall’ossidazione delle sostanze alimentari e in buona parte viene utilizzata per equilibrare le condizioni ambientali e in parte minore per il rendimento fisico. Anche quando il corpo è a riposo in un ambiente caldo la sua attività è finalizzata anche alla produzione di calore assumendo che la produzione di calore è pari a circa:

    70 kcal/h durante il riposo;

  100 kcal/h per le attività sedentarie;

  200 kcal/h camminando;

  350 kcal/h per camminare veloce;

1000 kcal/h per forti attività fisiche.

 

La zona di confort

Alcuni autori considerano le situazioni estreme del congelamento e del colpo di sole come i due punti massimi di riferimento per individuare la media delle condizioni di benessere. Altri individuano una temperatura di confort attorno ai 376 °C della temperatura corporea, altri individuano un riferimento medio tra il disagio del freddo e lo sforzo per adattarsi al caldo. In Inghilterra si parla di temperature tra 13 e 23 °C con lieve movimento dell’aria. In Germania si fa riferimento anche all’umidità relativa. In USA si parla di temperatura operante. Tutte conoscenze scientifiche in grado di definire diversamente il concetto di confort che va anche adattandosi al corso del tempo. Comunque il concetto di confort è un concetto dinamico che varia in funzione dell’attività, dell’età, del sesso e delle condizioni esterne, la velocità dell’aria, l’umidità relativa  e la disponibilità di sole.

 

La valutazione climatica

I dati climatici aiutano non solo gli architetti ma anche gli agricoltori, gli sportivi e i viaggiatori. Sono utili i dati e le analisi così organizzate:

1) Analisi termica: escursioni giornaliere, escursioni stagionali e i gradi giorno.

2) Analisi solare: ore di soleggiamento , quantità di radiazione incidente, posizione del sole

3) Analisi del vento: direzione e velocità del vento, andamento delle tempeste.

4) Analisi delle precipitazioni: quantità di neve e di piovosità, distribuzione dei giorni di pioggia, giorni di nebbia, giornate temporalesche.

5) Analisi dell’umidità: percentuali medie giornaliere di umidità relativa e valori di pressione del vapore.

 

Effetti microclimatici

Siamo abituati a pensare a condizioni climatiche uniformemente distribuite su vaste regioni mentre al suolo esistono molteplici microclimi che variano notevolmente. La natura mostra con evidenza queste circostanze. L’effetto è ben noto ai coltivatori che sanno che in certi versanti non crescono vigneti o altre piante. Anche la caratteristica di un tipo di terreno ha diverse condizioni di livello della falda freatica.

 

Effetto della topografia

In atmosfera la temperatura diminuisce con l’altitudine. D’estate di 1 °C per 180 metri sul livello del mare e, d’inverno, ogni 220 metri: Anche i pendii o i dislivelli possono creare modifiche sul microclima. L’aria fredda infatti, fluisce verso i punti più bassi e forma dei veri e propri laghi d’aria fredda. Le alture, viceversa, possono agire come dighe che frenano i flussi freddi.

 

Effetti della radiazione

La radiazione globale non è esclusivamente quella diretta ma anche quella diffusa e quella riflessa. Le analisi vanno riferite ai mesi più caldi (Giugno – Settembre) e ai mesi più freddi (Dicembre – Marzo), con pendenze del terreno non superiori a 20°, diversamente orientate verso di quattro punti cardinali. Si possono rilevare dati talmente differenziati da far pensare a sfasamenti delle stagioni in aree distanti pochi chilometri.

 

Effetti del vento

Un flusso può essere deviato schermato o filtrato. Quest’azione è spesso dovuta al semplice andamento del terreno oppure si può creare artificialmente. Con questi sistemi si possono creare effetti indesiderati di concentrazione dei flussi e delle piogge.

 

Effetto della pioggia

L’acqua ha un calore specifico più alto rispetto a quello del suolo perciò, si rilevano temperature inferiori di 2 °C d’estate e superiori di circa £°C d’inverno.

 

Effetti della vegetazione

La vegetazione e i manti erbosi aiutano ad assorbire la radiazione solare diminuendo la temperatura e favorendo l’evaporazione. Rispetto ad un terreno spoglio la temperatura della superficie d’erba può essere 6-7 °C più elevata. Sotto un albero a mezzogiorno si misurano 3-4 °C in meno rispetto al terreno circostante. Le superfici artificiali hanno temperature molto più alte e indici di riflessione più elevati.

 

L’uomo e il sole

L’uomo primitivo era legato al ciclo del sole in maniera indissolubile. Il sorgere del sole era legato a riti religiosi, si studiavano i movimenti del sole per orientare le tombe e altri monumenti importanti. Più tardi Vitruvio riconosce anche l’importanza di orientare le città lungo i versanti del terreno.

D’inverno, a 40° di latitudine Nord, una parete rivolta a mezzogiorno riceve tre volte l’energia solare globale ricevuta dalle pareti Est ed Ovest. Mentre d’estate la radiazione globale Sud e Nord è pari alla metà di quella ricevuta da pareti Est ed Ovest.

 

L’approccio sole-aria

La temperatura dell’aria  e la radiazione solare concorrono a produrre sul corpo umano la sensazione di calore o di freddo. L’effetto delle condizioni fisico ambientali viene misurato sulla base della capacità di mantenere i livelli di confort. Il sole è il primo e il più importante sistema di scambio termico. Il suo contributo varierà in funzione delle diverse stagioni e in relazione alle regioni geografiche. In condizioni di freddo l’edificio sarà concepito per ricevere la massima insolazione, mentre nella stagione fredda l’orientazione dovrebbe ridurre l’effetto della radiazione. Le due condizioni sono definite come sottoriscaldato e surriscaldato.

 

Controllo solare

L’architettura moderna ha sostituito ai vecchi muri in pietra le pareti vetrate continue. L’involucro ha una funzione di filtro tra ambiente interno e spazio esterno. Un filtro di luce aria, calore, suoni e odori. I materiali giocano un’azione fondamentale nel controllo della radiazione solare. Ma se l’involucro è una lastra di vetro la protezione è limitata al 12%. I vetri termo-assorbenti coprono il 40% della radiazione e se questo è un vantaggio per il raffrescamento estivo resta il problema dell’isolamento termico. Quindi il controllo della radiazione può essere ottenuto con schermature che offrono prestazioni di gran lunga più efficaci proprio perché permettono di essere modellate in estate o in inverno intercettando l’energia sul punto giusto. La funzione delle schermature è differente a seconda che siano verticali od orizzontali, vicine o staccate, in alluminio o in legno, tende o avvolgibili, scure o chiare.

 

Morfologia delle strutture urbane

La morfologia del tessuto urbano è una sintesi di molteplici fattori. L’organismo urbano riflette tendenze sociali e politiche ed è frutto di prestazioni dei materiali e requisiti delle tecnologie. Nei diversi climi le città hanno seguiti dei criteri fondativi basati sul clima, ad esempio:

Clima                         Criteri di pianificazione urbana

Freddo                       Riparo dai venti

                                   Edifici raggruppati per offrire minore dispersione del calore

                                   Densità urbana elevata e soleggiamento diffuso

Temperato                Disposizione libera e planimetrie aperte

Caldo umido             Le costruzioni sono utilizzate per fornire ombra e riparo

                                   Abitazioni disposte attorno ad corti chiuse

                                   Morfologia densa e introversa

Caldo secco             Case separate per sfruttare le brezze fresche

                                   Alberi che creano ombra e fresco

 

 

 

 

Arch. Luca Fattambrini 

bioedilizia@tettocomune.it

 

Luca Fattambrini - 20/05/2004
 
 
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