Sostenibilità Energetica e Controllo Ambientale

Conoscenza e comprensione

Il corso si propone di fornire agli studenti le conoscenze fondamentali per comprendere le relazioni tra ambiente costruito, microclima urbano, qualità ambientale indoor, comfort termoigrometrico, comfort visivo, comfort acustico, prestazioni energetiche degli edifici e utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili. Al termine del corso lo studente conoscerà i principali fenomeni fisici che regolano gli scambi termici tra edificio, ambiente esterno e utenti; i meccanismi di formazione dell’isola di calore urbana; gli indici di comfort indoor e outdoor; i principi dell’illuminotecnica indoor e della luce naturale; i principali descrittori dell’acustica degli ambienti interni; il ruolo dei materiali ad alta riflettanza, delle coperture verdi e delle strategie bioclimatiche; i principi della radiazione solare e della captazione energetica; il funzionamento di base dei sistemi solari termici, fotovoltaici, eolici e geotermici a bassa entalpia

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine del corso lo studente sarà in grado di analizzare criticamente le condizioni microclimatiche di un sito urbano e le condizioni ambientali interne di un edificio, valutando gli effetti delle scelte progettuali su comfort termico, comfort visivo, comfort acustico, consumi energetici e sostenibilità ambientale. Sarà inoltre in grado di stimare in modo preliminare la radiazione solare disponibile su superfici diversamente orientate e inclinate, interpretare i principali parametri prestazionali di sistemi solari termici, fotovoltaici e geotermici a bassa entalpia, valutare gli effetti di ombreggiamento, temperatura, orientamento e condizioni di esercizio sulla produzione energetica e confrontare diverse strategie passive e attive per il miglioramento della sostenibilità energetica e ambientale dell’ambiente costruito.

Autonomia di giudizio

Lo studente sarà in grado di interpretare dati climatici, energetici e ambientali, distinguendo tra soluzioni progettuali realmente efficaci e soluzioni solo apparentemente sostenibili. Saprà formulare valutazioni preliminari sulla scelta di materiali, tecnologie e sistemi energetici in relazione al contesto climatico, alla scala urbana o edilizia, al comfort degli utenti, agli impatti ambientali e agli obiettivi di decarbonizzazione.

Abilità comunicative

Lo studente sarà in grado di descrivere in modo chiaro, con linguaggio tecnico appropriato, le relazioni tra clima, edificio, comfort e sistemi energetici. Sarà inoltre in grado di presentare i risultati di semplici analisi, esercitazioni o casi studio mediante relazioni scritte, schemi, grafici e discussione orale.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisirà un metodo di studio e di analisi che gli consentirà di approfondire autonomamente temi relativi alla sostenibilità energetica, al controllo ambientale, alla progettazione bioclimatica e all’integrazione delle fonti rinnovabili negli edifici e nei contesti urbani.

Il corso si svolge mediante lezioni frontali, esercitazioni numeriche, analisi di casi studio e discussione guidata di soluzioni progettuali. Le lezioni frontali introducono i concetti teorici e metodologici, mentre le esercitazioni sono dedicate all’applicazione dei metodi di analisi a problemi reali o semplificati riguardanti microclima urbano, comfort, radiazione solare, materiali cool/green e sistemi solari. Saranno inoltre discussi esempi applicativi relativi a edifici e spazi urbani in clima mediterraneo.

Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

1. Introduzione alla sostenibilità energetica e ambientale dell’ambiente costruito.
Ruolo degli edifici e delle città nella transizione ecologica. Relazione tra cambiamenti climatici, consumi energetici, comfort, qualità ambientale interna ed esterna. Obiettivi di sviluppo sostenibile con riferimento a energia pulita, città sostenibili, salute e benessere, azione per il clima.

2. Microclima urbano e isola di calore urbana.
Definizione di microclima urbano. Fattori morfologici, radiativi, termici, idrologici e aerodinamici che influenzano il clima urbano. Isola di calore urbana: cause, effetti sul comfort, sui consumi energetici e sulla salute. Ruolo della densità edilizia, dell’albedo, delle superfici impermeabili, della vegetazione e del calore antropico.

3. Qualità ambientale indoor e outdoor: comfort termico, visivo e acustico.
Definizione di comfort termico. Bilancio energetico del corpo umano. Parametri ambientali e personali del comfort: temperatura dell’aria, temperatura media radiante, umidità relativa, velocità dell’aria, metabolismo e abbigliamento. Teoria di Fanger, PMV e PPD. Temperatura operativa. Comfort adattivo secondo UNI EN 16798-1. Discomfort localizzato. Indici di comfort outdoor: Humidex, Wind Chill, PET, UTCI e SPMV.
Principi di illuminotecnica indoor: illuminamento, luminanza, abbagliamento, uniformità, temperatura di colore, resa cromatica, luce naturale e integrazione con l’illuminazione artificiale. Cenni a EN 12464-1, EN 17037 e LENI.
Principi di acustica indoor: livello di pressione sonora, livello equivalente, tempo di riverberazione, assorbimento acustico, intelligibilità del parlato, isolamento acustico, rumore degli impianti e comfort acustico negli ambienti didattici e di lavoro.

4. Strategie passive e materiali per la mitigazione climatica.
Temperatura aria-sole. Effetto dell’albedo e dell’emissività sulle temperature superficiali. Cool materials, cool roof e cool pavements. Riflettanza solare, emissività infrarossa e Solar Reflectance Index. Limiti, manutenzione e degrado delle prestazioni dei materiali riflettenti. Green roofs, green façades e street trees. Effetti su comfort, carichi termici, gestione dell’acqua meteorica e mitigazione dell’isola di calore urbana. Cenni ai Criteri Ambientali Minimi e agli obblighi normativi relativi alle prestazioni estive.

5. Radiazione solare e geometria solare.
Costante solare, radiazione extraterrestre, attenuazione atmosferica, massa d’aria. Posizione del Sole, altezza solare, azimut, declinazione, angolo orario e angolo di incidenza. Componenti diretta, diffusa e riflessa della radiazione solare. Indice di chiarezza. Stima della radiazione su piano orizzontale e su piano inclinato. Influenza di inclinazione, orientamento e ombreggiamento sulle prestazioni energetiche.

6. Sistemi solari termici.
Principio di funzionamento dei collettori solari. Collettori piani, collettori sottovuoto e collettori non vetrati. Rendimento del collettore e influenza delle condizioni operative. Componenti di un impianto solare termico: collettore, circuito primario, fluido termovettore, pompa, scambiatore, accumulo, centralina, vaso di espansione e dispositivi di sicurezza. Configurazioni idrauliche, collegamenti tra collettori, perdite di carico, stagnazione e criteri preliminari di dimensionamento.

7. Sistemi fotovoltaici.
Effetto fotovoltaico e cella a giunzione P-N. Dal modulo al generatore fotovoltaico. Condizioni STC, NOCT, rendimento istantaneo, rendimento standard e rendimento annuale. Influenza della temperatura, dell’orientamento, dell’inclinazione, dell’ombreggiamento e del mismatch. Componenti dell’impianto: moduli, stringhe, inverter, MPPT, dispositivi di protezione e monitoraggio. Criteri preliminari di dimensionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete e con eventuale accumulo. Cenni alle batterie e ai sistemi di accumulo.

8. Energia eolica e geotermia a bassa entalpia.
Origine del vento, profilo verticale della velocità, potenza disponibile, tipologie di aerogeneratori, curva di potenza, capacity factor, criteri di localizzazione e impatti ambientali.
Principi della geotermia a bassa entalpia per edifici: temperatura del terreno, scambio termico con il sottosuolo, sonde geotermiche verticali, scambiatori orizzontali, pompe di calore geotermiche, COP, SPF, bilancio termico del terreno, rigenerazione termica, vincoli geologici, ambientali e autorizzativi. Criteri preliminari di valutazione della fattibilità tecnico-energetica.

9. Esercitazioni e casi studio.
Analisi di dati climatici e microclimatici. Valutazione preliminare di strategie di mitigazione urbana. Calcolo semplificato della radiazione solare su superfici inclinate. Valutazione dell’effetto di orientamento e ombreggiamento su sistemi solari. Esempi di dimensionamento preliminare di impianti solari termici e fotovoltaici. Valutazione semplificata di comfort visivo indoor, tempo di riverberazione e fabbisogno energetico per illuminazione. Analisi preliminare di sistemi con pompa di calore geotermica. Discussione di casi studio relativi a edifici e spazi urbani in clima mediterraneo.

Materiale didattico fornito dal docente: slide, dispense, esercitazioni, casi studio e documentazione tecnica resa disponibile sulla piattaforma Studium.

Testi e riferimenti consigliati:

T.R. Oke, G. Mills, A. Christen, J.A. Voogt, Urban Climates, Cambridge University Press.
G. Cammarata, Climatologia dell’ambiente costruito.
G. Cammarata, Impianti termotecnici – Volume I: Termofisica degli edifici.
J.A. Duffie, W.A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley.
Manuale ANIT, Progettazione delle coperture con materiali Cool Roof.
Guida ANIT, Criteri Ambientali Minimi per l’edilizia.
Norme tecniche e documenti richiamati a lezione, con particolare riferimento a comfort termico, prestazioni energetiche degli edifici, CAM, sistemi solari e rinnovabili.

La verifica dell’apprendimento prevede una prova scritta, una prova orale e la predisposizione di un elaborato individuale o di gruppo.

La prova scritta è finalizzata ad accertare la capacità dello studente di applicare le conoscenze acquisite attraverso esercizi, domande a risposta aperta e problemi tecnico-applicativi relativi a comfort termico, microclima urbano, radiazione solare e sistemi energetici rinnovabili.

L’elaborato consiste nell’analisi di un caso studio, nella valutazione di una strategia di sostenibilità energetica e ambientale o nel dimensionamento preliminare di un sistema o intervento coerente con i temi del corso. L’elaborato dovrà evidenziare il contributo individuale dello studente nel caso di lavoro di gruppo.

La prova orale è finalizzata a verificare la comprensione dei concetti teorici, la capacità di collegare tra loro gli argomenti del corso, la padronanza del linguaggio tecnico e la capacità di argomentare criticamente le scelte progettuali.

La valutazione finale, espressa in trentesimi, terrà conto della correttezza dei contenuti, della capacità di applicare metodi e formule, della chiarezza espositiva, della qualità dell’elaborato, della capacità di analisi critica e dell’uso appropriato della terminologia tecnica.