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Edifici solari ieri e oggi
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Architettura climatica
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La principale fonte di energia sul nostro pianeta è il
sole. L’energia irradiata dal sole mette in movimento
l’atmosfera e il ciclo delle acque e alimenta il
processo di fotosintesi il fine della quale sono i
combustibili. L’energia eolica e idraulica, il legno, il
carbone, il petrolio e il gas naturale hanno una sola
origine: l’energia solare. Il movimento dell’aria e
delle acque, insieme alla diretta radiazione solare,
determina il nostro clima che, come sappiamo tutti, non
è uguale in tutte le parti del pianeta e cambia con le
stagioni. L’uomo ha colonizzato quasi tutte le regioni
della terra, dalle zone calde tropicali fino ai circoli
polari, e quindi ha dovuto adeguarsi a varie condizioni
climatiche e costruire le sue dimore in stretto rapporto
a queste condizioni.
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Costruire edifici in rapporto alle condizioni climatiche
locali, ha una tradizione che risale a tempi
preistorici. Ancora oggi le architetture tradizionali in
tutto il mondo rispecchiano questa consuetudine - non
dimentichiamo che l’architettura tradizionale dipende
naturalmente anche dal materiale disponibile. Il fatto è
più evidente in regioni caratterizzate da climi
estremamente caldi e freddi come in Africa e Siberia,
meno in regioni con climi temperati come nell’Europa
centrale. L’Italia, che si estende dalle Alpi per
arrivare quasi all’Africa, offre un ricco quadro di
architetture tradizionali che ci permette studiare le
varie espressioni che l’architettura che si è sviluppata
in rapporto al clima può assumere. Esempi classici sono
le case dell’arco alpino costruite in pietra e legno, i
Trulli, i Sassi di Matera e il dammuso della
Pantelleria.
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A proposito dell’architettura tradizionale è da
considerare che:
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le esigenze della gente non erano quelle di oggi; oggi
climatizziamo interi edifici, mentre solo pochi secoli
fa, anche i benestanti, si accontentavano spesso di un
unico ambiente che offrisse le condizioni termiche
desiderate; in inverno, i signori portavano pesanti
pellicce anche nei loro palazzi e castelli nei quali
solo alcune stanze avevano un caminetto.
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il combustibile principale era il legno che serviva
anche a molti altri usi come la costruzione di edifici,
navi e macchinario (i monti spogli dei paesi
mediterranei riflettano questo millenario uso di
legname); altre fonti di calore erano le persone stesse,
nelle case contadine anche gli animali e non per ultimo
l’illuminazione; le grandi sale di Versailles venivano
riscaldate dalle persono stesse e dalle migliaia di
candele accese durante i ricevimenti e le feste.
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non esistevano mezzi meccanici che potevano distribuire
il calore o l’aria fresca negli edifici, e quindi si
dovevano sfruttare alcuni fenomeni termici come la
salita dell’aria calda e la pressione del vento.
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I più impressionanti esempi dell’antica tecnologia di
climatizzazione sono le grandi terme, a Roma e altrove,
edifici immensi, suddivisi in zone calde, tiepide e
fredde, quelle calde dotate di grandi aperture esposte
verso sud o sudovest, dotate di un complesso sistema di
riscaldamento (ad ipocausto) che riscaldavano non solo
l’acqua, ma anche il pavimento e i muri, in alcuni casi
anche il soffitto e le volte. Dal punto di visto
energetico e anche fisiologico questo sistema era più
efficiente rispetto ai nostri odierni sistemi. Il
rendimento superava il 90 per cento e il calore veniva
emesso per due terzi per radiazione e solo per un terzo
per convezione.
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Il declino dell’architettura climatica
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La consuetudine di costruire in rapporto al sole e al
clima locale ha subito un declino nel secolo appena
trascorso, quando il petrolio e l’elettricità sono
divenute energie economiche e disponibili ovunque; negli
Stati Uniti già prima, in Europa dopo la Seconda Guerra
mondiale. Di poter climatizzare gli edifici con gasolio,
carbone, gas ed elettricità in modo da mantenere
costante una temperatura di circa 20° C negli edifici,
sia in estate sia in inverno e in qualsiasi luogo del
mondo, era considerato un progresso e un’espressione di
modernità. L’euforia durò assai poco, in Europa circa
dagli anni cinquanta fino agli anni settanta. La prima
crisi del petrolio ha suscitato un ripensamento, ma
ormai dipendiamo ancora ampiamente dalle fonti
energetiche non rinnovabili sia per la climatizzazione
degli edifici, che per la mobilità motorizzata che
insieme consumano circa il 90 per cento dell’energia
primaria.
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Al riguardo del declino dell’architettura climatica
occorrono alcune precisazioni:
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la tradizione, o il buon senso, di costruire secondo le
esigenze imposte dalle condizioni climatiche, non è mai
stata totalmente abbandonata; molti architetti hanno
sempre continuato a progettare i loro edifici seguendo
questa tradizione. Esempi famosi sono: le villette e
scuole di Kaija e Heikki Siren degli anni ’50 in
Finnland, la casa a Cave Creek nel deserto di Arizona di
Paolo Soleri (1951), gli edifici degli anni ’50 e ’60 a
Chandigar di Le Corbusier, gli edifici di Lucio Costa e
di Oscar Niemeyer a Brasilia (anni ’50), la torre
abitativa di Alvar Aalto a Brema (1958) e tanti altri.
Credo che l’aspetto climatico di queste opere
architettoniche non è stato mai abbastanza apprezzato
dalla contemporanea critica architettonica, almeno non
ho trovato riferimenti in merito né da Siegfried Giedeon,
né da Christian Norberg-Schulz, né da Bruno Zevi.
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la
maggior parte degli edifici residenziali in Europa non
sono climatizzati per tutto l’anno, ma solo riscaldati
in inverno; i veri mangiatori d’energia sono gli alti
palazzi a torre che incontriamo nei centri
metropolitani, edifici che sono inutilizzabili senza la
corrente elettrica. Degli esempi fanno parte anche le
famose torri residenziali al Lake Shore Drive a Chicago
di Mies van der Rohe costruite negli anni 1950-51.
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Non solo le condizioni climatiche variano da luogo a
luogo, ma anche le abitudini e i valori della gente e
anche queste abitudini sono importanti per
l’architettura. Ciò che viene inteso come benessere
termico non è lo stesso in tutti i paesi; le temperature
che si mantengono nelle abitazioni dell’Europa
settentrionale ed orientale in inverno sono di solito
più alte di quelle considerate convenienti nei paesi
mediterranei.
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Gli inizi della moderna architettura solare
La moderna architettura solare o climatica non è una figlia
delle crisi del petrolio degli anni settanta, come molti
pensano, queste crisi hanno solo portato a una rivalutazione
delle risorse energetiche. Già prima della Seconda Guerra
mondiale, nel 1939, è stata costruita dal Massachussetts
Institute of Technology (MIT) una modesta casa solare con
due stanze, un laboratorio destinato a sviluppare metodi di
calcolo del rendimento dei collettori solari con i quali
l’intero tetto del fabbricato era coperto. Le equazioni oggi
usate per il calcolo del rendimento dei collettori solari
risalgono a quell’esperimento.
Altre case solari a titolo sperimentale sono state costruite
negli Stati Uniti negli anni quaranta e cinquanta,
sperimentando finestre a doppio vetro, accumulatori di
calore di vario genere (verticali, orizzontali, in cemento e
muratura e serbatoi d’acqua). Un muro accumulatore è stato
sviluppato e sperimentato, nel 1967, in una casa a Odeillo
nei Pirenei, dall’ingegnere francese Trombe dal quale prende
il nome e dall’architetto Jacques Michel.
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Tra i primi esempi europei incontriamo:
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- la stazione di
astrofisica di Capri (1960), realizzata per iniziativa
dell’Accademia Svedese delle Scienze (30 m2 di
collettori per 180 m2 calpestabili, serbatoio d’acqua
300° litri)
- la casa “Energia zero”
costruita nel 1976 a Lingly (Danimarca, architetto Peter
Harboe) per iniziativa dell’Università di Danimarca
(riscaldamento solare 45-50%)
- la scuola
professionale di Nera Montoro (Terni), progettata e
costruita nel l977 dall’architetto Mario Scheichenbauer
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Lo stato attuale dell’architettura solare
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La motivazione per costruire edifici a basso consumo
energetico ed edifici passivi non è più solo la
preoccupazione che le risorse di petrolio e di metano
possano esaurirsi nei prossimi decenni. Molto importante
è diventato oggi il preoccupante cambiamento climatico a
causa del crescente effetto serra provocato
principalmente dall’aumento di CO2 nell’atmosfera. Il
CO2 si forma in ogni processo di combustione e quindi la
riduzione di questi processi è diventata imperativa. Un
contributo alla diminuzione di questi processi è la
costruzione di edifici solari che necessitano poca
energia non rigenerabile.
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L’attuale architettura solare non segue un unico
concetto. Da una parte essa fa capo alle esperienze
dell’architettura climatica tradizionale e, dall’altra,
si basa su metodologie sviluppate per gli edifici solari
sperimentali costruiti negli ultimi 50 anni e sulla
tecnologia moderna. Dell’architettura solare moderna
fanno parte case unifamiliari costruiti in laterizio, in
terra cruda o con balle di paglia, nonché edifici di
alta tecnologia costruiti in acciaio cromato e dotati di
finestre speciali e complessi sistemi di regolazione.
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Ciò che gli edifici solari moderni hanno in comune con
gli edifici tradizionali sono l’orientamento verso sud e
grandi masse inerti che possono accumulare il calore.
Ciò che li distingue dagli edifici tradizionali sono
l’efficace isolamento termico, l’assenza di ponti
termici, infiltrazioni d’aria fredda molto ridotte,
ventilazione controllata con recupero di calore,
illuminazione naturale ottimizzata, impianti ausiliari a
basso consumo energetico.
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Raramente gli edifici solari moderni sono
climatizzati esclusivamente in maniera passiva, cioè
senza ausilio di apparecchiature. I sistemi adottati
sono di solito ibridi, già perché gli apporti solari
non coprono in tutti i giorni dell’anno il
fabbisogno energetico richiesto.
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Indispensabili per un razionale uso passivo
dell’irradiazione solare sono un efficiente isolamento
termico dell’edificio e masse che accumulano e
mantengono più a lungo il calore.
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Un edificio ben isolato termicamente è meno oggetto alle
escursioni della temperatura esterna e questa condizione
permette di coprire fino all’80 per cento del fabbisogno
energetico tramite gli apporti solari attraverso le
finestre. A questo punto diventa facile di coprire il
fabbisogno energetico residuo tramite sistemi attivi
quali stufe, sistemi di ventilazione, pompe di calore,
collettori solari e pannelli fotovoltaici. In queste
condizioni questi sistemi diventano interessanti anche
dal punto di vista economico perché possono essere di
bassa potenza.
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La moderna architettura solare può impiegare nuovi
materiali e tecnologie che prima non esistevano:
materiali termoisolanti trasparenti, vetri speciali
(atermici), schermature fisse e mobili, collettori
solari ad alto rendimento, pannelli fotovoltaici,
sistemi di recupero di calore, ventilazione forzata,
sistemi di regolazione. Il razionale impiego di questi
materiali e tecnologie richiede una progettazione molto
accurata. Il problema principale della progettazione di
edifici solari consiste nell’ottimizzazione dei
parametri fisiologici, energetici, tecnici ed economici.
L’obiettivo non è solo quello di ridurre il fabbisogno
energetico, ma anche di garantire un’alta qualità
abitativa e di costruire edifici a costi
concorrenziali. Alcuni degli elementi impiegati nella
costruzione di edifici solari a basso consumo energetico
sono ancora costosi e se il costo di questi edifici
supera sensibilmente il costo dell’edilizia normale
questi edifici non vengono costruiti e quindi il
risparmio energetico a livello mondiale rimane un sogno.
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L’ottimizzazione di un’opera di architettura solare
richiede un’accurata progettazione che include:
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- una chiara
determinazione degli obiettivi progettuali, cioè degli
obiettivi funzionali, energetici, fisiologici, ecologici
ed economici; questi obiettivi possono essere modificati
man mano che il progetto acquista concretezza;
- l’acquisizione dei
dati climatici e ambientali (posizione geografica
dell’edificio, apporti solari al metro quadrato di
superficie, nuvolosità, temperature medie mensili,
temperature massime e minime, vegetazione presente sul
sito, elementi ombreggianti, ecc.
- lo sviluppo di
differenti varianti progettuali
- la valutazione delle
varianti progettuali allo scopo di individuare la
soluzione più conveniente dal punto di vista energetico,
ecologico ed economico; a questo fine è necessario la
stesura di un bilancio energetico (o ecologico) per ogni
variante di progetto;
- la progettazione dei
sistemi tecnologici (termoidraulica, illuminazione,
regolazione) congiuntamente alla progettazione
architettonica; non è possibile progettare prima la
parte architettonica e poi quella impiantistica.
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Per questo motivo la progettazione di edifici solari a
basso consumo energetico e di edifici passivi implica
una stretta collaborazione tra architetto e specialisti
(fisici, ingegneri, ecologi) e con le imprese esecutrici
già nelle prime fasi della stessa.
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Come si vede, la progettazione di edifici solari a basso
consumo energetico non si fonda su semplice ricette e
convinzioni, bensì su calcoli e simulazioni. Da tenere
conto è anche il fatto che l’architettura solare moderna
è stata sviluppata in gran parte nei paesi “freddi”
(Scandinavia, Europa centrale, Canada, USA) e i manuali
e le pubblicazioni specialistiche in materia si
riferiscono in maggior parte a condizioni climatiche
diverse da quelle che incontriamo nel Mediterraneo e più
a Sud. Nei paesi nordici il problema più risentito è
quello del riscaldamento invernale, mentre nei paesi
mediterranei il problema della refrigerazione estivo
riveste uguale rilevanza.
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Oggi si parla in Italia del diritto al sole e si
propongono elementi come le serre solari come se fossimo
in un paese scandinavo dove il clima è più freddo e la
radiazione solare più debole. I risultati sono spesso
deludenti. In regioni con un clima mite gli edifici
solari sono però realizzabili con meno oneri rispetto al
Nordeuropa, non c’è bisogno di un isolamento termico
così forte (30-40 cm) e di serre solari; già a poca
profondità del suolo incontriamo temperature abbastanza
alte costanti per tutto l’anno. Questo è un vantaggio
che può essere sfruttato sia per il riscaldamento che
per la
refrigerazione
estivo. Occorre quindi sviluppare un’architettura solare
adatta ai paesi mediterranei, per esempio nell’ambito
dei relativi programmi dell’UE ai quali i paesi
mediterranei hanno finora partecipato molto raramente.
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La progettazione di edifici solari a basso consumo
energetico è oggi facilitata dalla disponibilità di
specifici software che sulla base dei parametri di
progetto (Input numerico, grafico, tabelle) forniscono
in tempo reale i risultati ottenuti (guadagni energetici
solari, temperature interne, surriscaldamento estivo,
illuminazione naturale, flussi d’aria, consumo
energetico residuo, costi, ecc.). Questi software sono
di due tipi: programmi generali che permettono
all’architetto, che già possiede conoscenze
dell’architettura solare, di sviluppare progetti di
massima e software specialistici destinati agli
specialisti..
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La realizzazione di migliaia di edifici solari passivi
nell’Europa centrale, avvenuta negli ultimi venti anni
ha potuto dimostrare che
questi edifici possono essere costruiti a prezzi
paragonabili a quelli che corrispondono alle più recenti
normative sul risparmio energetico. I costi
d’investimento sono sì più alti, ma i costi aggiuntivi
vengono di solito recuperati già nei primi dieci anni
dell’esercizio. Per questo motivo, e anche in
considerazione dei crescenti prezzi del petrolio e del
metano, è da prevedere che lo standard energetico di
questo tipo di edificio solare sia lo standard del
futuro.
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Perugia, agosto 2000/Porto Mantovano, luglio 2009
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Uwe Wienke, architetto SIA
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Altri
documenti sull'argomento
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Il
sole nell’urbanistica e nell’architettura dell’antichità
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di Uwe
Wienke
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Le
esigenze climatiche in antichità - L’energia
in antichità
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La
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solare
(Priene
- Olinto
- Mileto)
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Orientamento
delle vie e delle case -
Architettura
solare -
Teorie
e consigli di Vitruvio - Abitazioni
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