PROGETTARE LA VENTILAZIONE NATURALE PER IL MIGLIORAMENTO DELL’ARIA INTERNA, RISPARMIO SUI COSTI, BENEFICI PER LA SALUTE E LA SOSTENIBILITA’. ALCUNE RACCOMANDAZIONI PER LA PROGETTAZIONE

I vantaggi della ventilazione naturale: miglioramento della qualità dell’aria interna, risparmio sui costi e sostenibilità

Quasi tutti gli edifici storici sono stati ventilati naturalmente, anche se molti di questi sono stati compromessi dall’aggiunta di pareti divisorie e sistemi meccanici. Con una maggiore consapevolezza dei costi e degli impatti ambientali dell’uso dell’energia, la ventilazione naturale è diventata un metodo sempre più attraente per ridurre il consumo di energia e i costi e per fornire una qualità ambientale interna accettabile, mantenendo un un clima interno sano, confortevole, salubre e produttivo piuttosto che l’approccio prevalente di utilizzare la ventilazione meccanica. In climi e tipologie di edifici favorevoli, la ventilazione naturale può essere utilizzata come alternativa agli impianti di condizionamento, risparmiando dal 10% al 30% del consumo energetico totale.

I sistemi di ventilazione naturale, indicati nel D M 5 Luglio 1975, si basano sulle differenze di pressione per spostare l’aria fresca attraverso gli edifici. Le differenze di pressione possono essere causate dal vento o dall’effetto camino creato dalle differenze di temperatura o dalle differenze di umidità. In entrambi i casi, la quantità di ventilazione dipenderà in modo critico dalle dimensioni e dal posizionamento delle aperture nell’edificio. È utile pensare a un sistema di ventilazione naturale come a un circuito, con uguale considerazione per l’alimentazione e l’espulsione. Le aperture tra le stanze studiate secondo i venti dominanti, le feritoie, griglie o open space sono tecniche per completare il circuito del flusso d’aria attraverso un edificio. I requisiti normativi relativi al trasferimento di fumo e fuoco rappresentano una sfida per il progettista di un sistema di ventilazione naturale.

La ventilazione naturale, a differenza della ventilazione forzata, utilizza le forze naturali del vento per fornire aria fresca negli edifici. Il vento può soffiare aria attraverso le aperture nel muro sul lato sopravvento dell’edificio e aspirare l’aria dalle aperture sul lato sottovento e sul tetto. Le differenze di temperatura tra l’aria calda all’interno e l’aria fredda all’esterno possono far sì che l’aria nella stanza salga e esca dal soffitto o dal colmo ed entri attraverso le aperture più basse nel muro. Allo stesso modo, la galleggiabilità dell’aria causata dalle differenze di umidità può consentire a una colonna pressurizzata di aria densa e raffreddata per evaporazione di alimentare uno spazio e all’aria più leggera, più calda e umida di scaricare vicino alla parte superiore. Questi tre tipi di effetti della ventilazione naturale sono ulteriormente descritti di seguito.

VENTO

Il vento provoca una pressione positiva sul lato sopravvento e una pressione negativa sul lato sottovento degli edifici. Per equalizzare la pressione, l’aria fresca entrerà in qualsiasi apertura sopravento e verrà espulsa da qualsiasi apertura sottovento. In estate, il vento viene utilizzato per fornire quanta più aria fresca possibile, mentre in inverno la ventilazione è normalmente ridotta a livelli sufficienti per rimuovere l’umidità in eccesso e le sostanze inquinanti. Un’espressione per il volume del flusso d’aria indotto dal vento è:

Qwind = K x A x V, dove

Qwind = volume del flusso d’aria (m³/h)
A = area di apertura più piccola (m²)
V = velocità del vento all’aperto (m/h)
K = coefficiente di efficacia

Il coefficiente di efficacia dipende dall’angolo del vento e dalle dimensioni relative delle aperture di ingresso e di uscita. Si va da circa 0,4 per il vento che colpisce un’apertura con un angolo di incidenza di 45° a 0,8 per il vento che colpisce direttamente con un angolo di 90°. A volte il flusso del vento prevale parallelamente al muro di un edificio piuttosto che perpendicolare ad esso. In questo caso è ancora possibile indurre la ventilazione del vento per le caratteristiche architettoniche o per il modo in cui si apre una finestra a battente. Ad esempio, se il vento soffia da est a ovest lungo una parete esposta a nord, la prima finestra (che si apre) avrà dei cardini sul lato sinistro per fungere da paletta e dirigere il vento nella stanza. La seconda finestra sarebbe incernierata sul lato destro in modo che l’apertura sia sottovento rispetto al vetro aperto e la pressione negativa attiri l’aria fuori dalla stanza. È importante evitare ostruzioni tra le prese d’aria sopravento e le aperture di scarico sottovento. Evitare le pareti divisorie in una stanza orientata perpendicolarmente al flusso d’aria. D’altra parte, il design accettato evita le finestre di ingresso e uscita direttamente l’una di fronte all’altra, al fine di promuovere una maggiore miscelazione e migliorare l’efficacia della ventilazione.

GALLEGGIABILITÀ

La ventilazione a galleggiamento può essere indotta dalla temperatura (ventilazione effetto camino) o dall’umidità (torre di raffreddamento). I due possono essere combinati facendo in modo che una torre di raffreddamento fornisca aria raffreddata per evaporazione a bassa temperatura in uno spazio, e quindi fare affidamento sulla maggiore galleggiabilità dell’aria umida mentre si riscalda per espellere l’aria dallo spazio attraverso l’effetto camino. L’alimentazione di aria fredda allo spazio è pressurizzata dal peso della colonna di aria fredda sopra di essa. La galleggiabilità deriva dalla differenza di densità dell’aria. La densità dell’aria dipende dalla temperatura e dall’umidità (l’aria fredda è più pesante dell’aria calda a parità di umidità e l’aria secca è più pesante dell’aria umida alla stessa temperatura). All’interno della torre di raffreddamento stessa l’effetto della temperatura e dell’umidità tira in direzioni opposte (temperatura verso il basso, umidità verso l’alto). All’interno della stanza, il calore e l’umidità emessi dagli occupanti e da altre fonti interne tendono entrambi a far salire l’aria. L’aria viziata e riscaldata fuoriesce dalle aperture del soffitto o del tetto e consente all’aria fresca di entrare nelle aperture inferiori per sostituirla. La ventilazione ad effetto camino è una strategia particolarmente efficace in inverno, quando la differenza di temperatura interna/esterna è massima. La ventilazione ad effetto camino non funzionerà in estate, perché richiede che l’interno sia più caldo dell’esterno, una situazione indesiderabile in estate. U

Un’espressione per il flusso d’aria indotto dall’effetto camino è:

Qstack = Cd*A*[2gh(Ti-To)/Ti]^1/2, dove

Qstack = volume della velocità di ventilazione (m³/s)
Cd = 0,65, coefficiente di scarico.
A = area libera dell’apertura di ingresso (m²), che equivale all’area di apertura dell’uscita.
g =9.8 (m/s²). l’accelerazione di gravità
h = distanza verticale tra i punti medi di ingresso e di uscita (m) Ti = temperatura media dell’aria interna (K), si noti che 27°C = 300 K.
To = temperatura media dell’aria esterna (K)

La ventilazione della torre di raffreddamento è efficace solo dove l’umidità esterna è molto bassa.

Il flusso d’aria totale dovuto alla ventilazione naturale deriva dagli effetti combinati della pressione del vento, della galleggiabilità causata dalla temperatura e dall’umidità, oltre a qualsiasi altro effetto proveniente da fonti come i ventilatori. Il flusso d’aria proveniente da ciascuna sorgente può essere combinatocome indicato nell’ ASHRAE Handbook – Fundamentals.

ALCUNE RACCOMANDAZIONI PER LA PROGETTAZIONE

L’approccio specifico e la progettazione dei sistemi di ventilazione naturale variano in base al tipo di edificio e al clima locale. Tuttavia, la quantità di ventilazione dipende in modo critico dall’attenta progettazione degli spazi interni, dalle dimensioni e dal posizionamento delle aperture nell’edificio.

• Massimizza la ventilazione indotta dal vento posizionando il colmo di un edificio perpendicolarmente ai venti estivi.
  • Le direzioni approssimative del vento sono riassunte nei diagrammi stagionali “rose dei venti” disponibili presso la National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA). Tuttavia, queste rose si basano solitamente su dati rilevati negli aeroporti; I valori effettivi in un cantiere possono differire notevolmente.
  • Gli edifici dovrebbero essere posizionati dove le ostruzioni del vento estivo sono minime. Un frangivento di alberi sempreverdi può essere utile anche per mitigare i venti freddi invernali che tendono a provenire prevalentemente da nord.
• Gli edifici ventilati naturalmente dovrebbero essere stretti.
  • È difficile distribuire aria fresca a tutte le porzioni di un edificio molto ampio utilizzando la ventilazione naturale. La larghezza massima che ci si potrebbe aspettare di ventilare naturalmente è stimata in circa 14 metri. Di conseguenza, gli edifici che si affidano alla ventilazione naturale hanno spesso una pianta articolata.
• Ogni stanza dovrebbe avere due aperture di alimentazione e scarico separate. Posizionare lo scarico in alto sopra l’ingresso per massimizzare l’effetto del camino. Orientare le finestre nella stanza e sfalsarle l’una dall’altra per massimizzare la miscelazione dell’aria all’interno della stanza riducendo al minimo le ostruzioni al flusso d’aria all’interno della stanza.
• Le aperture dei finestrini devono essere azionabili dagli occupanti.
• Fornire prese d’aria di colmo.
  • Una presa d’aria di colmo è un’apertura nel punto più alto del tetto che offre una buona uscita sia per la galleggiabilità che per la ventilazione indotta dal vento. L’apertura del colmo deve essere libera da ostruzioni per consentire all’aria di defluire liberamente dall’edificio.
• Consentire un adeguato flusso d’aria interno.
  • Oltre alla considerazione primaria del flusso d’aria in entrata e in uscita dall’edificio, il flusso d’aria tra le stanze dell’edificio è importante. Quando possibile, le porte interne dovrebbero essere progettate in modo da essere aperte per favorire la ventilazione dell’intero edificio. Se è richiesta la privacy, la ventilazione può essere fornita attraverso alte feritoie o traverse.
• Prendi in considerazione l’uso di lucernari o lucernari ventilati.
  • Un lucernario o un lucernario ventilato forniranno un’apertura per la fuoriuscita dell’aria viziata in una strategia di ventilazione a galleggiamento.La luce del lucernario potrebbe anche fungere da camino solare per aumentare il flusso. Le aperture più basse della struttura, come le finestre del seminterrato, devono essere previste per completare il sistema di ventilazione.
• Fornire ventilazione del sottotetto.
  • Negli edifici con sottotetti, la ventilazione dello spazio sottotetto riduce notevolmente il trasferimento di calore alle stanze condizionate sottostanti. Le soffitte ventilate sono più fresche rispetto alle soffitte non ventilate.
• Prendere in considerazione l’uso di strategie di raffreddamento assistite da ventola.
  • I ventilatori a soffitto e per l’intero edificio possono fornire una caduta di temperatura effettiva fcon una riduzione del consumo di energia elettrica dei sistemi di condizionamento meccanici.
• Determinare se l’edificio trarrà vantaggio da un approccio di ventilazione aperto o chiuso.
  • Un approccio di costruzione chiusa funziona bene in climi caldi e secchi dove c’è una grande variazione di temperatura dal giorno alla notte. Un enorme edificio viene ventilato di notte, poi chiuso al mattino per tenere fuori l’aria calda del giorno. Gli occupanti vengono quindi raffreddati dallo scambio radiante con le pareti portanti e il pavimento.
  • Un approccio di costruzione aperta funziona bene in aree calde e umide, dove la temperatura non cambia molto dal giorno alla notte. In questo caso, la ventilazione incrociata diurna è incoraggiata per mantenere le temperature interne vicine a quelle esterne.
• Utilizzare il raffreddamento meccanico in climi caldi e umidi.
• Cerca di consentire la ventilazione naturale per raffreddare la massa dell’edificio durante la notte nei climi caldi.
• Le scale aperte forniscono una ventilazione ad effetto camino, ma dovranno osservare tutte le precauzioni antincendio e antifumo previste per le scale chiuse.

VANTAGGI E LIMITI DELLA VENTILAZIONE NATURALE

La ventilazione naturale attuata in un edificio offre alcuni importanti vantaggi, tra cui la creazione di un ambiente confortevole e salubre con pochi accorgimenti,
unitamente al minor costo (economico, energetico e di spazio) rispetto a quella meccanica: va da sé, quindi, che sia la prima opzione valutata durante la progettazione.
Tra le limitazioni vi è la bassa efficienza dovuta al posizionamento dell’edificio (in città, con un orientamento sfavorevole, senza vegetazione), con traffico veicolare o
pedonale (che ne peggiora il rumore, la qualità dell’aria o la privacy), o con design interno, in quanto il massimo di efficienza si ha con spessori della costruzione 12-15 m di profondità (cinque volte l’altezza dal pavimento al soffitto o 2,5 volte l’altezza dal pavimento al soffitto se le aperture possono essere fornite solo su un lato).
Un ragionevole compromesso tra i meccanismi naturali e quelli tecnologici è l’utilizzo di “serramenti intelligenti”, che si aprono tramite sensori ed automatismi in funzione delle concentrazioni indoor e outdoor di inquinanti. Questa tecnologia, attualmente in piena fase di sviluppo, si basa sull’utilizzo di sensori che rilevano la presenza di persone o la temperatura all’interno dell’ambiente, consentendo ai serramenti di aprirsi o chiudersi di conseguenza.
In generale, una progettazione attenta e consapevole dell’ubicazione e dell’orientamento degli edifici e degli spazi esterni può contribuire a ridurre i consumi energetici, migliorare il comfort termico e visivo degli ambienti e creare spazi più salubri e sostenibili.