Il tetto verde per la sostenibilità energetica degli edifici

Le coltri vegetali sui tetti degli edifici rappresentano uno strato isolante naturale per la sostenibilità energetica degli edifici.

A tal riguardo, presso il Centro Ricerche ENEA Casaccia, il Laboratorio DUEE-SIST-NORD sta conducendo studi indirizzati a valutare gli effetti isolanti e ambientali associati al verde pensile sugli edifici, in termini di flussi termici, consumi elettrici, evapotraspirazione, albedo ed emissioni di CO2.

L'importanza delle infrastrutture verdi nelle città

Secondo studi della Commissione europea, l’energia elettrica per la climatizzazione estiva, nelle diverse tipologie di edifici (pubblici, residenziali e commerciali), rappresenta ormai non meno del 30% dei consumi complessivi e le previsioni mostrano una tendenza in crescita [1].

L’Unione Europea, ai fini della riduzione dei consumi di riscaldamento e di raffreddamento, con la COM(2013) 249 final “Infrastrutture verdi – Rafforzare il capitale naturale in Europa” e con la Direttiva (UE) 2018/844 [2], ha sottolineato l’importanza per il settore dell’edilizia di adottare soluzioni basate sulle infrastrutture verdi, come coltri vegetali, giardini pensili, corridoi verdi, piantumazioni nelle città di siepi ed alberi, in quanto possono contribuire a migliorare l’efficienza energetica degli edifici. Le coltri vegetali sui tetti dell’edificio, infatti, si possono configurare come strato isolante naturale per la stratigrafia degli edifici. Più in dettaglio, in regime invernale, il verde permette un maggiore isolamento termico dell’edificio mentre, in regime estivo, riduce la radiazione solare incidente e agisce come estrattore naturale di calore dall’ambiente poiché le piante consumano calore con l’evapotraspirazione e la fotosintesi.

Piattaforma dimostrativa presso il C.R. ENEA Casaccia 

Presso il C.R. ENEA Casaccia, dal 2013 il gruppo, attualmente afferente al Laboratorio DUEE-SIST-NORD, ha avviato un’attività di ricerca e sviluppo nell’ambito dell’Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico-ENEA (Ricerca di Sistema Elettrico) sulle infrastrutture verdi per edifici [3] [4] [5]. La piattaforma dimostrativa (Fig. 1) è stata realizzata sul tetto di un edificio denominato “Scuola delle Energie”, dove il Dipartimento Unità Efficienza Energetica tiene corsi di formazione e/o aggiornamento per operatori dell’energia, per la Pubblica Amministrazione ma anche per studenti della scuola superiore e per studenti e/o ricercatori dell’università.

Il prototipo di tetto verde è stato dotato di un sistema di monitoraggio, implementato nel corso degli anni, costituito da un’ampia gamma di sensori che, opportunamente posizionati, consentono il monitoraggio microclimatico e ambientale in continuo rendendo questo sistema prototipo un caso studio particolarmente rilevante per lo studio del verde pensile. 

Il Laboratorio DUEE-SIST-NORD sta conducendo diversi studi sugli scambi energetici tra l’edificio e l’ambiente, oltre che sull’influenza dei processi fisiologici delle piante sui parametri microclimatici [6]. I flussi termici, il LAI (Leaf Area Index), l’albedo, l’evapotraspirazione sono alcuni dei parametri in studio che influiscono sulle interazioni che si stabiliscono tra il comportamento termico dell’edificio e la fisiologia delle specie vegetali rispetto ai parametri ambientali e microclimatici che caratterizzano l’area e il sito dell’edificio.

Figura 1 - Alcuni dei sensori presenti sul Tetto Verde, presso il C.R. ENEA Casaccia di Roma, per il rilevamento di: temperatura superficiale sotto il manto erboso a Graminaceae (TS11); temperatura superficiale sotto il manto erboso a Sedum (TS13); temperatura superficiale su tetto non coperto dalla vegetazione (controllo) (TS12); temperatura e umidità dell’aria (AT/RH01); PAR e radiazione globale (PAR/GR01); velocità e direzione del vento (WS/WD01); pluviometro (RG).

Effetti della copertura “verde” nel ridurre la temperatura superficiale del tetto 

Il monitoraggio che viene condotto sul tetto verde consente una valutazione dell’effetto delle diverse specie vegetali sulla riduzione delle temperature superficiali rilevate sotto il manto erboso e, quindi, sulla capacità della vegetazione di isolare termicamente l’edificio.

Sono stati confrontati gli effetti di una comune copertura a Graminaceae e di una copertura a Sedum, ambedue specie note per essere utilizzate in tetti verdi di tipo estensivo.

In Fig. 2, è riportato l’andamento registrato nel corso di una giornata della scorsa estate (27 luglio 2021), in cui la temperatura dell’aria alle ore 13:00 toccava i 33 °C, con una radiazione globale (GR) superiore ai 600 W/m2 tra le ore 12:00 e le 14:00 (Fig. 2A).

La temperatura superficiale monitorata sulla pavimentazione senza vegetazione (sensore controllo, TS12) ha mostrato, tra le 12:00 e le 14:00, picchi di 42 °C, mentre nelle ore notturne la temperatura scendeva a circa 20 °C.

Le temperature superficiali registrate sotto le coperture vegetali, invece, si sono mantenute costanti tra il giorno e la notte e sempre sotto i 25 °C. In particolare, sotto la copertura di Sedum (TS13) la temperatura si è mantenuta, nell’arco delle 24 h, intorno ai 20-21°C, mentre sotto il prato a Graminaceae (TS11), sia di giorno sia di notte, la temperatura si è mantenuta costante tra i 24 e i 25 °C.

Dunque, durante le ore più calde di una giornata calda estiva, come quella del 27 luglio, i cui dati sono stati riportati a titolo di esempio, sia la vegetazione a Sedum che il prato a Graminaceae, hanno consentito di contenere la temperatura del tetto, rispettivamente, di 22 °C e 17 °C al di sotto della temperatura superficiale del tetto privo di vegetazione; quest’ultimo ha raggiunto i 42 °C a fronte di una temperatura dell’aria di 33 °C (Fig. 2B).

In ultima analisi, l’impiego della vegetazione sul tetto, nel periodo estivo, si traduce in un risparmio dell’energia elettrica per il condizionamento dell’ambiente che, in prima approssimazione è stato stimato in circa 2 kWh/m2 per il periodo estivo.  Pertanto, è importante proseguire la ricerca per approfondire le differenti potenzialità di isolamento termico che esistono tra le specie vegetali al fine di consentire un efficace utilizzo della vegetazione nei differenti contesti microclimatici.

Figura 2 - Andamento giornaliero dei parametri microclimatici sul tetto verde nel periodo estivo (27 luglio 2021): A) Temperatura dell’aria (AT01) media e Radiazione globale (GR01) media rilevate dalla stazione meteorologica installata a livello del tetto verde. B) Temperature superficiali medie rilevate dai sensori di contatto: TS11, sensore sotto il manto erboso a Graminaceae; TS13, sensore sotto il manto erboso a Sedum; TS12, sensore controllo posizionato sul tetto non coperto dalla vegetazione

Parametri fisiologici delle piante rilevanti per il risparmio energetico 

La capacità isolante della vegetazione dipende dalle proprietà fisiologiche delle piante quali la capacità evapotraspirativa e l’albedo, entrambe, come suddetto, proprietà specie-specifiche. L’evapotraspirazione è la quantità di acqua persa per evaporazione dalla superficie del terreno e per traspirazione da parte della copertura vegetale; è un processo fondamentale per il controllo microclimatico in quanto l'acqua per evaporare utilizza il calore latente dell'aria sottraendolo all'ambiente determinando così un abbassamento della temperatura dell’aria. Tenuto conto che la quantità di acqua assorbita dalle radici per la crescita e il metabolismo non supera il 3% e che il restante 97–99,5% viene perso per traspirazione, si capisce la potenzialità che le piante hanno di contribuire al controllo microclimatico degli edifici e, su larga scala, delle città. 

L’albedo è il potere riflettente e corrisponde alla percentuale di radiazione che viene riflessa in tutte le direzioni dalla superficie rispetto al totale della radiazione solare incidente. L’albedo minima è pari a 0, quando nessuna frazione di luce viene riflessa, come nel caso di una superficie nera, mentre, l’albedo massima è pari a 1, quando tutta la radiazione incidente viene riflessa, come nel caso di una superficie bianca. L’albedo delle superfici ricoperte da coltri vegetali rappresenta una proprietà radiativa di notevole influenza ai fini della performance termica di un edificio, in quanto la superficie di un tetto ricoperto da vegetazione presenta un’albedo più alta rispetto ad un tetto tradizionale, ed un maggior valore di albedo corrisponde ad una riduzione dell’accumulo di calore. Studi dimostrano che un aumento globale dell’albedo di 0,1 in una città comporta una riduzione della temperatura media di circa 0,3° C e questo si tradurrebbe in estate in un risparmio dell’ordine del 10-40% sul carico energetico per il raffreddamento delle superfici [7]. 

Figura 3 - Albedometro sul tetto verde ENEA (C.R. Casaccia) durante il monitoraggio dell’albedo

Leggi anche:

La tecnologia dei tetti verdi: tipologie, stratigrafia e vantaggi

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

1. European Commission. An EU Strategy on Heating and Cooling. COM (2016) 51 final.
   
2. Direttiva (UE) 2018/844 del Parlamento Europeo e del Consiglio del 30 maggio 2018 che modifica la direttiva 2010/31/UE sulla prestazione energetica nell’edilizia e la direttiva 2012/27/UE sull’efficienza energetica. 
   
3. C.A. Campiotti, L. Consorti, G. Giagnacovo, A. Latini, G. Puglisi, M. Scoccianti, C. Viola. Caratterizzazione di tipologie di sistemi vegetali per migliorare l'efficienza energetica degli edifici nella città metropolitana. Report RdS/PAR2015/141. Settembre 2016. 
   
4. C.A. Campiotti, G. Giagnacovo, A. Latin, F. Margiotta, L. Nencini, L. Pazzola, M. Scoccianti. L’uso della vegetazione per aumentare l’efficienza energetica degli edifici e l’impiego di sistemi di climatizzazione rinnovabile: estensione dei risultati. Report RdS/PAR2018/107.
   
5. C.A. Campiotti, P. De Rossi, G. Giagnacovo, A. Latini, S. Mariani, L. Nencini, S. Pace, M. Sperandei. Infrastrutture “verdi” per migliorare l’efficienza energetica degli edifici e la qualità del microclima nelle aree urbane. Report Ricerca di Sistema Elettrico RdS/PAR2019/042. Dicembre 2019. 
   
6. C.A. Campiotti, P. De Rossi, L. Gatti, G. Giagnacovo, A. Latini, S. Mariani, M. Sperandei, et al. Gli ecositemi vegetali per la rigenerazione ecologica delle città. Rapporto Tecnico ENEA RT/2021/13/ENEA.
   
7. M. Santamouris. Cooling the cities – a review of reflective and green roof mitigation technologies to fight heat island and improve comfort in urban environments. Solar Energy 2014 103: 682-703.