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L’edilizia è uno dei settori più rilevanti in termini di produzione di ricchezze e di
occupazione ma, al contempo, è anche responsabile di significativi consumi di risorse
naturali e impatti ambientali. In particolare, essa incide in misura rilevante sul bilancio energetico e sullo scenario emissivo di gas serra in Europa: si stima infatti che,
nell'Unione Europea l’edilizia sia responsabile del 40% del consumo delle risorse
energetiche disponibili e tale percentuale è inevitabilmente destinata a crescere se non si provvede all'avvio di strategie ed azioni orientate alla riduzione dei consumi di combustibili fossili e alla promozione delle risorse rinnovabili. In tale contesto, il risparmio di risorse primarie, l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, l’uso di materiali eco-compatibili, il ricorso a nuove tecnologie costruttive e l’applicazione di sistemi efficienti di climatizzazione dello spazio confinato sono diventati, negli ultimi anni, gli obbiettivi principali da perseguire nella progettazione, nella costruzione ex novo e nella ristrutturazione degli edifici.
Uso del suolo e consumo di energia costituiscono gli impatti principali del settore dell’edilizia, imputabili ai processi di costruzione di nuovi edifici e delle relative infrastrutture, ai processi di estrazione delle materie prime, alla lavorazione e trasformazione dei materiali ed infine allo smaltimento. Tuttavia un contributo rilevante al consumo di energia proviene dalla fase d’uso di un edificio ed, in particolare, dalla climatizzazione invernale ed estiva degli spazi confinati.
Ecco che, allora, obiettivo finale di tecnici e progettisti diventa la realizzazione di “case a consumo zero” (NZEB), anche conosciute come “case passive”, come primo passo verso lo sviluppo di “case attive”, che riescano a produrre più energia di quella che consumano. Si tratta di edifici a misura d’ambiente, costruiti con il chiaro obiettivo di ridurre i costi energetici ed eliminare gli sprechi. Le strategie per ridurre la richiesta di energia degli edifici sono molteplici: il controllo dell’orientamento e della ventilazione, l’impiego di materiali isolanti sempre più preformanti, l’efficienza impiantistica. Tra queste, uno dei metodi più impattanti è lo sfruttamento dell’energia solare passiva.
L’energia complessivamente trasferita dal sole ad un’abitazione può essere divisa in due categorie: la quota direttamente fornita all'edificio attraverso le porzioni trasparenti dell’involucro, che è decisamente preponderante, e la quota ceduta attraverso le pareti opache. In quest’ultimo caso, il sole riscalda gli strati esterni della parete ed il calore riesce difficilmente ad essere trasferito all'interno dell’edificio per effetto della massa e della resistenza termica dei vari strati costituenti la parete, spesso tutt'altro che trascurabile. D’altra parte, la normativa attuale, al fine di contenere al minimo le dispersioni, impone valori sempre più restrittivi per la trasmittanza termica delle strutture opache verticali.
La soluzione proposta nel presente lavoro di tesi risolve questa apparente contraddizione, incrementando la quota di energia solare proveniente dagli elementi opachi senza
comprometterne la capacità di isolamento. L’idea è quella di inserire nelle pareti d’involucro di un edificio, un dispositivo a due fasi in grado di stabilire un ponte termico, tra le due facce, interna ed esterna, delle pareti stesse.
In verità tale dispositivo sfrutta i principi della fisica che regolano il cambiamento di fase dei materiali, mentre la forza gravitazionale costringe il flusso di calore a scorrere esclusivamente in nel verso in ingresso nell’edificio, bloccando quello opposto. A ben vedere, dunque, il comportamento del dispositivo è assimilabile a quello, non di un ponte termico, ma di un diodo termico. Considerati il punto di installazione ed il fatto che all’interno del circuito si instauri una circolazione convettiva per effetto della sola differenza di densità tra volumi di fluido date temperature diverse, al dispositivo si è dato nome di Wall Thermosyphon (WT), termosifone in parete.
Il progetto scaturisce dalla collaborazione del Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni (DESTEC) dell’Università di Pisa con il
Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università Federale di Santa Caterina (UFSC). Il circuito-termosifone applicato alla parete, infatti, è simile al termosifone progettato e sperimentato nel 2010 da Milanez&Mantelli, i quali hanno prestato la loro collaborazione alla messa a punto del nuovo dispositivo.
Una parete similare è stata appena studiata da Sun et al. nel 2014 e testata da Zhang et al. nel 2015 per il clima cinese. L’elevata prestazione in termini di trasferimento di calore della suddetta parete-termosifone consente di ridurre il carico di riscaldamento fino al 15% durante un tipico inverno nella città di Jinan.
Muovendo da quest’idea, il presente lavoro di tesi si articola in due parti, occupandosi:
• in prima fase della progettazione dell’impianto costituito dall’innovativo circuito termosifone, si da integrarlo all’interno della struttura di una parete prefabbricata, per unire, in questo modo, ai noti vantaggi dell’edilizia prefabbricata gli alti standard energetici che il mercato e la sensibilità costruttiva attuale richiedono. La validazione della progettazione passa attraverso lo studio della prestazione energetica di un edificio
prototipo sul quale si ipotizza installato il dispositivo. Il comportamento dell’edificio è
stato analizzato al variare del numero e dalla disposizione dei dispositivi installati
in parete nonché al mutare delle condizioni climatiche esterne, in modo da poter
confrontare i risultati in termini di risparmio energetico e stabilire la configurazione
più vantaggiosa. Il comportamento termico transitorio dell’edificio è stato studiato
con il software di simulazione energetica degli edifici EnergyPlus™. In definitiva, lo scopo è stato quello di progettare il dispositivo e di testarne l’efficacia su un edificio campione nell’ottica che l’esito positivo o negativo di questo studio preliminare avrebbe deciso rispettivamente il successivo sviluppo o abbandono di quest’idea;
• in seconda fase dell’integrazione del sistema in una proposta progettuale architettonicamente compiuta: rispondendo alle richieste del bando emesso dal Comune di Firenze, la proposta progettuale concerne la realizzazione di un nuovo centro museale polifunzionale, il “Florence Cultural Centre”, riorganizzando gli spazi del Largo Pietro Annoni, sito nel cuore del capoluogo toscano.