Come mitigare l'effetto isola di calore con nuove tecnologie per le coperture

Progettare la resilienza: criteri progettuali per contrastare l’effetto dell’isola di calore urbana delle coperture per le città di clima mediterraneo. Nell'articolo l'analisi delle tecncologie Green Roof e Cool Roof che secondo alcuni studi scientifici internazionali garantiscono la riduzione e la mitigazione dell’effetto isola di calore.

Il cambiamento climatico e l'effetto isola di calore urbano 

Le elevate concentrazioni di Gas Effetto Serra (GES) nell’atmosfera corrispondono alle trasformazioni tecnologiche, sociali e territoriali del modello industriale del XVIII secolo, che ha causato un esponenziale incremento di emissioni, alti livelli di inquinamento e conseguenti allarmanti ripercussioni ambientali quale l’alterazione delle condizioni climatiche.
Sebbene il cambiamento climatico sia una problematica globale, questo si manifesta con differenti effetti ed impatti in base alla posizione geografica.
Tra le alterazioni climatiche, la più evidente riguarda i differenti valori di temperatura registrati tra le aree rurali e quelle urbanizzate; il fenomeno è conosciuto come effetto isola di calore urbana (ICU).
Questo fenomeno è generato dall’interazione tra gli elementi climatici ed i componenti urbani di ogni località, inoltre è condizionato dall’esposizione solare, dalla morfologia urbana, dalle attività antropogeniche, dalla vulnerabilità e dalla resilienza dei materiali che costituiscono gli edifici. Proprio quest’ultimi hanno un ruolo fondamentale poiché interagiscono con i fattori climatici quali la temperatura, l’umidità relativa, la velocità del vento e la radiazione solare; generando effetti negativi o positivi all’ambiente ed influenzando il microclima locale. 

Il fenomeno climatico (ICU) si differenza in due tipologie: 

• l’isola di calore superficiale, intesa come l’innalzamento delle temperature dei materiali a causa dell’incidenza della radiazione solare sulle loro superficie. Influenzata anche dalle proprietà fisico-tecniche dei materiali che definiscono la capacità di trattenere o respingere l’energia solare.
• l’isola di calore atmosferica, che si manifesta quando la temperatura dell’ambiente urbano supera quella dell’ambiente rurale o semi-rurale di 3°C, più evidente nelle ore notturne quando i materiali rilasciano nell’atmosfera l’energia assorbita durante il giorno. 

Misure di controllo relative al clima 

La crescita esponenziale in termini di frequenza ed intensità degli impatti ambientali ha portato a determinare nuove misure di controllo per mitigare il fenomeno ICU al fine di evitare il raggiungimento dei più catastrofici scenari ambientali. Partendo da questa necessità, l’organizzazione scientifica del Gruppo Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici (IPCC) ha definito quattro scenari climatici che si differenziano per i livelli di concentrazione di GES presenti in atmosfera. Questi sono denominati come i representative concentration pathway (RCP) e dimostrano l’incremento delle alterazioni degli elementi del clima con eventi più frequenti e più durevoli, i quali possono anche produrre impatti irreversibili sull’ecosistema. 

Simultaneamente, sono state definite le misure di adattamento alle condizioni attuali e di mitigazione delle future emissioni per garantire quanto stabilito nell’accordo di Parigi del 2015 che consiste nel mantenere la temperatura media al di sotto dei 2°C rispetto al periodo preindustriale.

I ruoli dei materiali e delle coperture

Come menzionato precedentemente, i materiali edili hanno un’influenza significativa sul microclima urbano. Nel caso dell’incidenza della radiazione solare sugli edifici, i materiali permettono o meno l’assorbimento dell’energia solare nei periodi diurni e la sua successiva liberazione nei periodi notturni, innalzando in questo modo le temperature delle città, con eventuali ripercussioni negli ambienti interni ed anche sulle costruzioni attorno all’edificio in considerazione. In questo senso, progettare coscientemente al miglioramento delle condizioni ambientali locali porterebbe alla soddisfazione delle esigenze ambientali e sociali, con dei fabbricati funzionali, ecologici, energeticamente efficienti, con risparmi economici e con elevata qualità interna.

Valutazioni per la mitigazione dell’effetto dell’isola di calore urbana 

Dal punto di vista architettonico e tecnologico, le coperture sono gli elementi con maggiore esposizione dell’involucro edilizio, per questo motivo, progettare in maniera consapevole rende possibile il miglioramento del microclima. La scelta di utilizzare sistemi tecnologici più adeguati in copertura deve considerare aspetti climatici e morfologici, riferiti al contesto in cui si trova l’oggetto d’intervento. Nello specifico, le analisi da condurre sono: 

• Analisi climatica; 

Durante questa fase si fa riferimento agli scenari di valutazione climatica realizzati dall’IPCC; in particolare, è necessario individuare i parametri climatici del luogo in cui si colloca l’intervento. 

• Analisi morfologica; 

Questa fase è fondamentale per la comprensione delle possibili interazioni delle nuove tecnologie con il contesto costruito. Per una corretta analisi è necessario considerare tre fattori: 

• La localizzazione: importante per poter valutare le interazioni tra la copertura proposta con gli edifici circostanti considerando l’incidenza della radiazione solare, tenendo conto degli effetti sulle costruzioni confinante classificandole: edifici isolati, ad angolo ed addossati. 
• L’altezza: è strettamente connessa con il parametro localizzazione soprattutto per quanto riguarda gli effetti dell’incidenza della radiazione solare sugli edifici circostanti. Possono essere classificate tre tipologie di altezza: minima, media e massima, considerando un range di valori espressi in numero di piani fuori terra. 
• Le attività hanno un ruolo significativo in questo tipo di analisi, per questo motivo si possono classificare attività a basso ed alto livello d’inquinamento, considerando la tipologia delle sorgenti inquinanti e il loro impatto sull’ambiente.  

Successivamente è possibile proseguire con la valutazione delle tipologie di copertura più adeguate al contesto, considerando le proprietà fisiche e tecnologiche del materiale. In particolare: 

• Le caratteristiche fisico-tecniche: sono le proprietà che definiscono i materiali dal punto di vista del bilancio energetico e termico. Vengono prese in analisi caratteristiche come: l’albedo ( inteso come la capacità di assorbimento del calore, l’emissività che indica la capacità di liberare l’energia immagazzinata all’interno del materiale), il coefficiente di convezione (che fa riferimento al passaggio di calore da un corpo con temperatura più elevate rispetto ad un altro fino a raggiungere un equilibrio termico tra di loro), la capacità termica (indica la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di 1°C per unità di volume del materiale, senza l’alterazione della fase); il livello di permeabilità di un materiale (determinato dal rapporto tra il volume delle cavità ed il volume totale del materiale che definisce la quantità di assorbimento di acqua).
• Le caratteristiche tecnologiche studiano l’approccio ambientale finalizzato al miglioramento della qualità della vita, così come è stato stabilito dalla World Conservation Union nel 1991. Secondo questo approccio, le attività edilizie devono seguire criteri di sostenibilità quali: la loro origine, i processi produttivi e costruttivi, il sistema di manutenzione, la durata, la possibilità di riutilizzo o di riciclo. 

Tecnologie di coperture per la mitigazione dell’isola di calore urbana

La metodologia precedentemente esposta e i diversi studi scientifici internazionali confermano che la combinazione delle tecnologie Green Roof e Cool Roof per le città caratterizzate da periodi estivi secchi e caldi, garantiscono la riduzione e la mitigazione dell’effetto isola di calore.

Green Roof

Il Green Roof è una soluzione tecnologica di copertura ad elevati livelli prestazionali e contribuisce in maniera positiva al bilancio energetico, all’ambiente, all’isolamento e al risparmio energetico dell’edificio. Il sistema è caratterizzato da uno strato vegetativo che per il suo corretto funzionamento necessita di un elemento culturale, filtrante, drenante, di protezione meccanica, di tenuta, portante.

Le tipologie: intensiva ed estensiva

Le coperture vegetali si differenziano in due tipologie: intensiva caratterizzata dalla presenza di arbusti di diverse altezze che richiedono uno strato di coltura tra i 20 e 150 cm; estensiva, caratterizzata da specie vegetali di bassa altezza, basso livello di manutenzione (1-2 volte l’anno) che richiedono uno strato di coltura di 15 cm.

Uno studio realizzato a Chicago ha confrontato due tipologie di coperture: il Green Roof e il sistema di copertura convenzionale. Durante lo studio sono state registrate diverse temperature all’interno di una copertura in una giornata di agosto (temperatura media registrata: 30°C). E’ stato dimostrato che la temperatura superficiale del Green Roof oscillava tra i 33 e i 48°C, mentre quella della copertura convenzionale ha raggiunto il valore di 76°C. 

Le coperture verdi, infatti, forniscono un contributo energetico grazie al flusso di calore latente, valore che si ottiene mediante l’utilizzo di una parte della radiazione incidente nel processo di evapotraspirazione (combinazione del processo di evaporazione e traspirazione della pianta), al flusso di calore sensibile, che viene ridotto bloccando l’incremento della temperatura dell’aria; alla capacità termica del sistema, che assorbe l’80% dell’energia utilizzandone circa il 70% nei processi di evapotraspirazione.

Alcuni buoni motivi per realizzare un tetto verde
Caratteristiche e incentivi per realizzare una copertura verde

Dal punto di vista ambientale si tiene conto di fattori come la decarbonizzazione, capacità tipica del sistema vegetativo che permette la riduzione degli inquinanti in atmosfera, la cattura della CO₂ ed altri gas a effetto serra. La specie e la profondità dello strato vegetativo e culturale, riescono anche a consentire il controllo del deflusso delle acque piovane e la diminuzione della quantità d’acqua in discarica. Inoltre, il recupero delle aree non utilizzate degli edifici mediante nuovi spazi verdi permette l’aumento della biodiversità, portando un habitat naturale all’interno della città.

I benefici all’interno degli edifici invece, riguardano l’isolamento acustico data la capacità di modificare la percezione del suono dalla vegetazione funzionano da barriera. Infine l’isolamento termico si deve all’impedimento dell’incidenza diretta dei raggi solari sulla superficie della copertura, evitando di conseguenza l’innalzamento delle temperature superficiali, pertanto garantisce un minore utilizzo dei climatizzatori che si traduce in una riduzione di emissioni, risparmio energetico ed economico.

[...] l'articolo continua con la trattazione dei cool roof e delle strategie di selezione delle tecnologie.