SMART MATERIALS FOR SMART CITIES : STUDIO DELLE PROPRIETÀ DEI MATERIALI AD ELEVATA RIFLETTANZA SOLARE ADIBITI AL RIVESTIMENTO D’INVOLUCRO DEGLI EDIFICI IN CONTESTI URBANI: CARATTERIZZAZIONE MEDIANTE ANALISI SPERIMENTALE E SVILUPPO DI UN MODELLO NUMERICO DI SIMULAZIONE

Abstract

Il fenomeno dell’'isola di calore urbana (UHI), tra i più studiati negli ultimi anni, comporta il verificarsi di temperature dell'aria più elevate nelle città rispetto alle aree rurali e suburbane. Dal momento che questo fenomeno altera profondamente il microclima urbano, avendo ricadute sul comfort termo-igrometrico esterno e sui fabbisogni di energia degli edifici, vengono continuamente proposte molteplici tecniche di mitigazione al fine di ridurne gli effetti. Per fare ciò è però necessario partire dall’analisi dei motivi che danno vita al fenomeno. Se si considera il tessuto urbano, i parametri che concorrono a determinarne il bilancio energetico sono riconducibili ai seguenti: temperatura e umidità dell’aria, direzione e intensità del vento, entità della radiazione solare. Le scelte progettuali in fase di pianificazione urbanistica possono influire sensibilmente sull’intensità del fenomeno UHI, intensificandolo in alcuni casi, minimizzandone gli effetti in altri. Poiché le città, sebbene costituiscano un vero e proprio prodotto della civiltà moderna, sono difficilmente riprogettabili ex novo, almeno per ciò che concerne la configurazione, le contromisure principali adottate per fronteggiare il fenomeno dell’UHI ricadono sull’ottimizzazione del verde urbano e sulla scelta delle proprietà ottico radiative dei materiali da costruzione. Difatti, tra le soluzioni scelte per mitigare il fenomeno dell’isola di calore urbana, l'adozione di materiali innovativi per l'involucro edilizio, tra i quali i materiali ad elevata riflettanza e i cool materials rappresentano soluzioni oramai piuttosto diffuse. Questi materiali sono caratterizzati da elevata riflettanza solare (elevata capacità di riflettere la radiazione incidente solare) e alta emissività termica (elevata capacità di riemettere energia nella lunghezza d'onda dell'infrarosso lontano). Negli ultimi anni è cresciuto l'interesse da parte dei ricercatori per un nuovo tipo di materiali, chiamati materiali retroriflettenti (RR), dato il loro potenziale di ridurre i carichi solari sugli involucri edilizi e di conseguenza la quantità di radiazione solare intrappolata all'interno del tessuto urbano. La maggior parte dei materiali da costruzione, inclusi i materiali ad elevata riflettanza e i cool materials, hanno una riflettanza solare costante e un comportamento, per ciò che concerne la modalità di riflessione nello spazio della radiazione incidente, perfettamente diffusivo (lambertiano). I materiali retroriflettenti invece presentano una dipendenza angolare della loro risposta ottico-radiativa, sia per quanto riguarda il valore della riflettanza solare sia per quanto riguarda le direzioni prevalenti di riflessione. Ciò è dovuto alla particolare conformazione superficiale che consente di riflettere la maggior parte della radiazione solare diretta nella stessa direzione di incidenza, ovvero verso la volta celeste. Grazie a questa loro peculiarità che comporta una diminuzione delle inter-riflessioni mutue tra le superfici costituenti il tessuto urbano, i carichi solari assumono valori inferiori rispetto al caso in cui vengono utilizzati i materiali da costruzione più comuni. Come conseguenza di questa diminuzione dei carichi solari superficiali, anche la temperatura dell'aria all'interno degli spazi urbani esterni assume valori inferiori con significativi vantaggi sul comfort termico e sul fabbisogno di energia per il raffrescamento degli edifici. In quest’ottica la caratterizzazione della risposta ottico radiativa è uno step necessario per la conoscenza del comportamento dei materiali RR dal momento che la modalità con cui interagiscono con l’ambiente circostante, in ambito urbano, è fondamentale. Lo spazio urbano esterno che è stato preso come modello di riferimento per lo studio effettuato nell’ambito di questa tesi è il canyon urbano. Esso costituisce, nella sua semplicità, la configurazione urbana in cui il fenomeno dell’UHI trova la sua esacerbazione, a causa dei meccanismi di scambi mutui di energia radiativa che vengono ad instaurarsi tra le superfici che costituiscono i suoi confini. Inoltre, esso rappresenta una tipologia di configurazione urbana fortemente diffusa nei contesti in cui è presente un’elevata urbanizzazione. L’obiettivo finale di questo lavoro è la valutazione del potenziale dei materiali retroriflettenti adibiti al rivestimento d’involucro degli edifici inseriti in contesti densamente urbanizzati, valutato in termini di riduzione dei carichi solari sulle superfici costituenti le facciate esterne degli edifici e le pavimentazioni in un canyon urbano. Le fasi del lavoro di studio si sono sviluppate sia in ambito sperimentale sia numerico. Per ciò che concerne la caratterizzazione della risposta qualitativa (direzioni di riflessione nello spazio tridimensionale) e quantitativa (riflettanza) dei materiali RR, è stato utilizzato l’apparato sperimentale presente nel laboratorio LIFT dell’Università di Roma Tre. Difatti, mediante il goniofotometro in assetto gonioreflettometrico è stato possibile andare a studiare vari campioni di materiali, tra cui i materiali RR ed è stato possibile formulare, partendo dai dati ottenuti, una modellizzazione numerica che approssimasse il loro comportamento nello spettro della radiazione visibile. Per caratterizzazione si intende la determinazione della riflettanza e la distribuzione spaziale della radiazione riflessa. A valle di questa caratterizzazione, è stato implementato in ambiente Matlab un software per la determinazione dei carichi solari in un canyon urbano basandosi sulla teoria dei fattori di Gebhart. Questa teoria è adatta a modellizzare i materiali lambertiani ma nell’ambito di questo lavoro è stata rimodulata affinché si adattasse a descrivere anche il comportamento dei materiali RR. In tal modo è stato possibile sviluppare un modello di simulazione numerica per tener conto degli effetti delle inter-riflessioni multiple (nel campo delle radiazioni visibili) tra le superfici costituenti un canyon urbano quando siano adottati materiali di rivestimento RR. L’ultima fase, anche essa sperimentale, è consistita nella progettazione e messa in opera di un setup costituito da due canyon urbani in scala disposti negli spazi esterni dell’Università Roma Tre. Il setup prevede l’utilizzo di sensori appositamente progettati atti a rilevare la radiazione entrante e la radiazione riflessa attraverso la frontiera superiore del canyon urbano (canopy layer) in modo da poter valutare energeticamente i vantaggi associati all’utilizzo di smart materials per gli involucri edilizi in termini di riduzione dell’energia radiante intrappolata a livello di tessuto urbano. La coppia di canyon a disposizione permette infatti un confronto parallelo tra configurazione RR e configurazione lambertiana in cui l’utilizzo delle tinte è previsto solo sulle superfici verticali corrispondenti alle facciate degli edifici. I dati sperimentali ottenuti dal setup sono in linea con i risultati ottenuti in letteratura e forniscono un’indicazione preliminare sulle potenzialità dell’utilizzo dei materiali RR in ambito urbano al fine di contrastare il fenomeno dell’UHI e il conseguente aumento del fabbisogno energetico nelle città. In conclusione, la valutazione dei vantaggi dell’utilizzo dei materiali retro-riflettenti per l’involucro edilizio passa attraverso la capacità di modellizzarli utilizzando algoritmi numerici fedeli e poco dispendiosi in termini di potenza di calcolo. La possibilità di sfruttare il metodo analitico implementato inserendolo nelle subroutine dei software BES più diffusi apre uno scenario che permette di effettuare valutazioni sui benefici in termini di risparmio energetico per gli edifici, andando ulteriormente ad approfondire gli aspetti legati alla sostenibilità dei costi e al mantenimento delle prestazioni nel tempo dei materiali retro-riflettenti, determinandone l’effettiva competitività rispetto ai materiali innovativi già in uso.