Il ricambio d'aria naturale e i vetri ad alte prestazioni vengono spesso presentati come concetti opposti. Il primo incoraggia i proprietari ad aprire l'involucro edilizio, mentre il secondo viene promosso per la sua tenuta all'aria, l'isolamento, il controllo solare e la gestione accurata del trasferimento termico.
Quella contraddizione evidente è utile dal punto di vista commerciale. Consente al fornitore di vetri di soffermarsi sul fattore U, al progettista meccanico di parlare di ricambi d’aria, all’ingegnere di concentrarsi sull’apertura e all’appaltatore dei sistemi di controllo di presentarsi in ritardo con una sequenza generica copiata da un altro progetto.
A quel punto la struttura si surriscalda.
La mia analisi obiettiva dei dati mi porta a concludere che il conflitto non è tra la ventilazione naturale e i vetri ad alta efficienza energetica, bensì tra la progettazione strutturale esterna integrata e le modalità frammentarie con cui vengono realizzati la maggior parte dei progetti.
Il vetro non permette l'aerazione.
Tuttavia, quando i rivestimenti a bassa emissività, i dispositivi di protezione, le aree apribili, i sistemi di ombreggiamento esterno, i livelli di tenuta alla pressione, la massa termica, i sensori di anidride carbonica, i sistemi di blocco in caso di pioggia e i dispositivi di interblocco dell’aria condizionata vengono integrati tra loro, la facciata è in grado di ridurre il trasferimento di calore indesiderato, gestendo al contempo le ore in cui l’aria esterna è davvero preziosa.
Allora perché la serie dedicata ai programmi per i vetri e quella dedicata alla ventilazione vengono ancora considerate come pacchetti separati?
Una facciata isolata e ad alte prestazioni potrebbe comportare una riduzione del carico termico calcolato per il riscaldamento e il raffreddamento, ma lascia l’edificio interamente dipendente dai sistemi meccanici. Un’area esterna apribile controllata in modo inadeguato può essere ancora peggiore: l’aria condizionata fuoriesce mentre i compressori e i ventilatori continuano a funzionare.
Nessuno dei due problemi è inevitabile.
La versione efficace è quella che tiene conto della permeabilità. L'involucro mantiene la propria efficacia termica quando è chiuso e si apre intenzionalmente in presenza di una combinazione specifica di condizioni esterne, interne, acustiche, di sicurezza e protezione, nonché relative alla qualità dell'aria.
Si tratta di un flusso d’aria a modalità mista, non di un ragionamento ottimistico.
“Il termine ”vetro ad alte prestazioni” è un’espressione commerciale imprecisa. Non approverei una tecnica di realizzazione delle facciate basata su di esso.
Ci sono quattro variabili che assumono subito importanza:
Fattore U azioni che favoriscono il trasferimento di calore attraverso l'intero sistema finestrario. Valori più bassi indicano solitamente un isolamento migliore quando l'apertura è chiusa.
Coefficiente di guadagno termico solare, o SHGC, misura la frazione di energia solare incidente che viene assorbita sotto forma di calore. Un valore pari a 0,23 indica un assorbimento di calore solare notevolmente inferiore rispetto a un prodotto con un valore nominale di 0,60.
Passaggio evidente, o VT, indica la quantità di luce visibile che lo attraversa. Un valore SHGC ridotto non garantisce automaticamente buone prestazioni in termini di illuminazione naturale; occorre considerare anche la selettività delle finiture.
Superficie utile di apertura determina la capacità di flusso d'aria. Questa non corrisponde necessariamente alla posizione nominale dell'anta, poiché le zanzariere, i limitatori di apertura, le alette, la ferramenta, la direzione del vento e i coefficienti di scarico riducono il flusso d'aria effettivo.
Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti definisce l’SHGC su una scala da 0 a 1 e sottolinea che sia l’SHGC che il fattore U dovrebbero essere scelti in base alle condizioni ambientali e all’orientamento della facciata, e non sulla base di un’unica specifica generale.
Ed ecco il punto cruciale: nemmeno un ottimo valore termico al centro del vetro può compensare un’apertura di piccole dimensioni, un telaio termicamente poco efficiente o un percorso di ventilazione che termina davanti a una porta interna chiusa.
La ventilazione naturale non funziona quando l'aria esterna non riesce a dissipare il calore con la stessa rapidità con cui l'edificio lo accumula.
La radiazione solare è spesso la prima causa del problema. Le ampie superfici vetrate esposte a est e a ovest possono surriscaldare una stanza prima ancora che gli occupanti si preparino ad aprire le finestre, mentre il calore interno generato dalle persone, dall’illuminazione, dai computer e dagli elettrodomestici continua ad accumularsi.
L'uso del vetro giusto riduce tale preoccupazione.
Specifico per il progetto vetro stratificato a controllo solare per facciate industriali può ridurre l'apporto di calore solare e l'abbagliamento, garantendo al contempo un livello controllato di luce naturale. Ciò non genera un flusso d'aria, ma può ridurre il carico termico in misura tale da consentire al flusso d'aria di rimanere efficace per un numero ancora maggiore di ore durante l'anno.
Per i sistemi di doppi vetri, i vetri di ricambio o i processi di lavorazione che richiedono una superficie pirolitica resistente, vetro Low-E con rivestimento duro tagliato su misura offre un trattamento aggiuntivo. La sua finitura riflette l’energia infrarossa a onde lunghe e può essere integrata direttamente in pavimenti temperati o stratificati, oppure in strutture di schermatura, a seconda della configurazione del progetto.
Tuttavia, una copertura maggiore non è sempre la soluzione migliore.
Un valore di SHGC particolarmente basso può ridurre i carichi di raffreddamento in un ambiente caldo, ma allo stesso tempo diminuire i benefici apportati dal guadagno solare durante la stagione invernale o nelle ore diurne. Elementi più scuri o più riflettenti possono aumentare il fabbisogno di illuminazione elettrica. Anche il vetro elettrocromico dinamico comporta dei compromessi: un rapporto del DOE del 2023 ha tenuto conto di tempi di transizione tipici compresi tra i 5 e i 12 minuti e ha segnalato che la riduzione al minimo del guadagno solare potrebbe, allo stesso tempo, diminuire la luce diurna visibile.
Per questo motivo, la vetrata più adatta agli edifici con ventilazione naturale non è quella con il vetro più scuro né quella con il valore SHGC più basso disponibile. È invece la vetrata che si adatta al posizionamento, al clima, alla geometria delle aperture, alla schermatura, alla destinazione d'uso e alla serie di funzionamento.
Una finestra apribile non è semplicemente un vetro fisso dotato di cerniere.
Cicli di funzionamento. Parametri di guasto. Unità di rilevamento. Azioni dell'utente. Esigenze di manutenzione. Limiti relativi alla pressione del vento. Rischio di infiltrazione d'acqua. Impatti acustici. Vincoli di sicurezza e protezione.
Non ho molta pazienza nei confronti di requisiti che indicano frecce di apertura sui disegni altimetrici ma non forniscono alcuna soluzione a questioni funzionali fondamentali:
Chi ha l'autorizzazione ad aprire la finestra?
Esattamente, di quanto può aprirsi?
L'impianto di climatizzazione si è spento?
Cosa succede quando piove?
Cosa succede quando i livelli di PM2,5, ozono, umidità o rumore all’aperto sono troppo elevati?
Le aperture per la purga notturna possono continuare a essere sicure?
Gli occupanti possono aggirare il comando automatico?
Cosa nota il team addetto alle strutture quando un attuatore smette di funzionare?
Anche gli aspetti relativi alla sicurezza devono essere considerati separatamente dalle prestazioni termiche. Il rinforzo non migliora il coefficiente U né l’SHGC, ma può risultare necessario a causa dell’esposizione alle sollecitazioni, della posizione dell’apertura, delle dimensioni del pannello o delle normative locali in materia di vetri di sicurezza.
Per le aperture effettuate frequentemente, vetri su misura per finestre e porte può essere realizzato in base alle aperture per le apparecchiature, alle esigenze relative ai bordi e alle configurazioni predisposte per i vetri isolanti (IGU). I fori e le tacche devono essere rifiniti prima della tempra; eventuali modifiche successive alle apparecchiature non sono semplici modifiche di routine.
Nel caso di facciate di grandi dimensioni e nelle applicazioni sopraelevate, i gruppi di progetto possono inoltre prendere in considerazione vetro solidificato mediante trattamento termico per garantire l'integrità esterna, che introduce una procedura di collaudo successiva alla tempra volta a ridurre il rischio di rotture impreviste durante l'utilizzo.
I cantieri di grandi dimensioni richiedono una disciplina specifica. Pannelli in vetro temperato di grandi dimensioni può offrire ampie vedute senza ostacoli, ma la visibilità estetica non equivale alla ventilazione. Una facciata può apparire libera da ostacoli pur avendo un’area di apertura effettiva irrisoria.
Il flusso d'aria a modalità mista combina il ricambio d'aria naturale con il riscaldamento, la climatizzazione o la ventilazione meccanica. Questi sistemi possono alternarsi a seconda del periodo, regolarsi in base alle condizioni in tempo reale o servire contemporaneamente aree diverse.
Esistono 3 versioni operative comuni:
Modalità di transizione: La struttura funziona in modo normale o meccanico, ma non in entrambi i modi contemporaneamente nella stessa area.
Modalità simultanea: La ventilazione naturale e i sistemi meccanici funzionano in sinergia. Questo approccio può funzionare, ma è proprio qui che, in genere, si verificano perdite energetiche impercettibili.
Modalità a zone: Le zone perimetrali o quelle selezionate sfruttano il ricambio d’aria naturale, mentre le aree con pianta profonda, a carico elevato o acusticamente sensibili sono climatizzate meccanicamente.
Di solito opto per una procedura a commutazione o a zone chiaramente separate. Una procedura simultanea richiede una motivazione progettuale specifica; “ai residenti piace aprire le finestre di casa” non costituisce una serie di comandi.
Una serie di commutatori affidabile potrebbe prendere in considerazione:
Inizialmente, un progetto potrebbe prevedere, ad esempio, una temperatura del bulbo secco esterno compresa tra 16 e 24 °C, ma tale intervallo non può essere applicato in modo indiscriminato. Un edificio costiero in ambiente umido potrebbe richiedere limiti relativi all’entalpia o al punto di rugiada. Un’università in un’area metropolitana potrebbe invece necessitare di limiti relativi al rumore e all’inquinamento. Un grattacielo potrebbe essere soggetto a sollecitazioni eoliche tali da rendere impraticabile il funzionamento manuale a determinate altezze.
Inoltre, l'apertura di una finestra deve solitamente innescare un'azione misurabile: disattivare il raffreddamento locale, ridurre la velocità delle ventole, modificare il controllo della pressione o inviare una notifica al sistema di gestione dell'edificio.
Altrimenti, il frontale non è a modalità combinata. Si tratta di un sistema di raffreddamento meccanico con perdite.
Il Centro di Assistenza alla Ricerca del Laboratorio Nazionale di Ricerca sulle Energie Rinnovabili, con sede a Golden, in Colorado, rappresenta una delle confutazioni più evidenti della tesi secondo cui il vetro ad alte prestazioni richieda un rivestimento esterno sigillato.
L'edificio è dotato di finestre automatizzate e azionabili manualmente per favorire la ventilazione incrociata e il raffreddamento notturno. Le aperture più basse sulla facciata sud e quelle più ampie sulla facciata nord favoriscono il movimento dell'aria per effetto camino, mentre il sistema di controllo basato sul monossido di carbonio ₂ riduce al minimo la ventilazione meccanica quando il flusso d'aria naturale è intenso.
Le sue finestre sono dotate di vetri a triplo strato con rivestimento Low-E e 0,17 (coefficiente U) e 0,23 SHGC. Le sezioni superiori sono fisse e dotate di lamelle che deviano la luce naturale; quelle inferiori sono ombreggiate e apribili.
Il valore di "Energy Use Strength" calcolato per l'intero edificio era circa 36 kBtu/ft TWO, circa 51– 561 TP3T inferiore rispetto ai criteri tipici relativi all’ambiente di lavoro citati. Dai sondaggi condotti tra i proprietari è emerso che Soddisfazione termica 68%, con un altro 11% in posizione neutra.
La lezione da trarre non è “acquistare vetri a triplo strato”. La lezione è l’integrazione: vetri, schermature, massa termica, ricambio d’aria serale, sistemi di controllo, indicazioni per gli occupanti e impianti meccanici sono stati concepiti come un unico concetto operativo.
Nel dicembre 2024, il Drexel College ha pubblicato uno studio di ricerca basato su simulazioni che ha esaminato sei scenari di flusso d'aria per edifici storici nella città calda e umida di San Antonio, in Texas.
Le situazioni prese in esame comprendevano finestre completamente o parzialmente aperte, ventilazione trasversale, ventilazione per effetto camino, ricambio d’aria notturno e assenza di ricambio d’aria naturale. Tutte le condizioni di ventilazione naturale valutate hanno generato un risparmio energetico nei periodi oggetto della simulazione, con la ventilazione trasversale che è risultata uno dei metodi più efficaci.
I ricercatori hanno tuttavia sottolineato che aprire le finestre di casa non è sempre fattibile né sufficiente per garantire un livello adeguato di comfort.
Questo avvertimento è importante. La ventilazione naturale non è un pregio in sé. In condizioni climatiche di calma e umidità, l’aria potrebbe avere una capacità di raffreddamento insufficiente. In presenza di fumo da incendi boschivi, grave inquinamento atmosferico, piogge intense o forte rumore esterno, potrebbe trattarsi addirittura della modalità di funzionamento sbagliata.
In un documento del Dipartimento dell’Energia (DOE) sulle tecnologie per le finestre, pubblicato nel 2023, si indicava che circa 80% di finestre per abitazioni, 50% di vetrine commerciali, e 98%: finestre per abitazioni ad alta efficienza energetica Tra le opzioni disponibili figurano le finiture Low-E.
Ha inoltre riferito che le finestre delle abitazioni delle celebrità del settore ENERGY di oggi in genere garantiscono da due a tre volte migliore rispetto alle finestre installate negli anni ’80.
Quindi la moderna tecnologia Low-E non è l'aspetto sperimentale di questa discussione.
Il punto debole è il coordinamento del sistema. Disponiamo di impianti di finitura ben consolidati e di una produzione del vetro all’altezza, tuttavia si continua a investire in modo insufficiente nella modellazione dei flussi d’aria, nelle sequenze di controllo, nella messa in servizio, nelle interfacce per gli occupanti e nella verifica post-occupazione.
| Approccio alla facciata | Comportamento termico a macchina spenta | Obbligo di ventilazione naturale | La candidatura più valida | Guasto tipico |
|---|---|---|---|---|
| Vetri doppi trasparenti con anta apribile | Isolamento modesto; possibile elevato apporto solare | Garantisce il flusso d'aria, ma potrebbe creare ampie zone di raffreddamento perimetrali | Climi miti, altitudini ombreggiate | Il surriscaldamento ostacola il flusso d'aria |
| Sistema apribile con rivestimento rigido Low-E | Trasferimento termico a onde lunghe ridotto al minimo con finitura di lunga durata | Supporta sistemi di infissi apribili o con vetri secondari | Interventi di ristrutturazione, infissi anti-tempesta, progetti che richiedono un'elevata lavorazione | Finitura selezionata senza valutazione dell'orientamento |
| IGU a basso emissivo a controllo solare | Riduzione del guadagno solare e miglioramento dell'isolamento in posizione chiusa | È possibile prolungare i periodi in cui l'aria esterna continua a essere abbondante | Facciate esposte al sole e progetti commerciali | L'SHGC è stato ridotto a tal punto che ne risente la luce diurna |
| Sistema apribile a triplo vetro con rivestimento Low-E | Trasferimento di calore per conduzione estremamente ridotto quando è chiuso | Mantiene l'efficienza durante la stagione invernale, consentendo al contempo un flusso d'aria stagionale regolato | Climi freddi o misti | Sovrappeso, costi, attuatore e complessità hardware |
| Vetri elettrocromici dinamici | SHGC variabile, potenzialmente compreso tra 0,15 e 0,40 nei prodotti industriali | Regola il controllo solare prima o durante i periodi di flusso d'aria | Strutture altamente vetrate e dotate di numerosi sensori | Cambiamenti graduali, riduzione durante il giorno, gestione della combinazione |
| Riparazione di ampie vetrate e di diverse prese d'aria | È possibile ottenere un'elevata efficienza nell'area di visione fissa | Le prese d'aria dedicate garantiscono un percorso controllato del flusso d'aria | Facciate e ambienti di grandi dimensioni | Posizione trasparente scambiata per un’area di apertura efficiente |
I valori riportati nella presente tabella non sostituiscono le specifiche tecniche. Il fattore U, l’SHGC, il VT, la posizione dell’apertura, la resistenza del vetro, il trattamento laterale, la composizione e la classificazione di sicurezza devono essere verificati in base al contesto del progetto, ai calcoli, ai requisiti di collaudo e alle normative applicabili.
Prima di definire un ambiente esterno “normalmente aerato”, richiederei sicuramente una risposta chiara a queste otto domande.
Registra l'ubicazione esatta, non limitarti alle dimensioni indicate dal simbolo di apertura.
Il flusso d'aria unidirezionale è limitato in profondità. La ventilazione trasversale e quella a colonna richiedono un percorso effettivo dall'ingresso all'uscita.
Le altitudini a nord, sud, est e ovest non devono necessariamente avere lo stesso SHGC, la stessa finitura, lo stesso tipo di ombreggiatura o lo stesso tipo di apertura.
La serie di controlli deve riconoscere la zona, il tempo di retroazione, la logica di esclusione, il problema di allarme e la procedura di ripristino.
Pioggia, vento, fumo, inquinamento esterno, umidità eccessiva, eventi relativi alla sicurezza, comandi dell'impianto antincendio e periodi di inattività potrebbero tutti richiedere la chiusura.
Un approccio che funziona a malapena sulla base dei dati storici sulle condizioni meteorologiche potrebbe rivelarsi inefficace con l'aumento delle temperature massime e delle minime notturne.
L'impostazione dell'attuatore, lo stato dell'unità di rilevamento, lo stato di esclusione, il comando della finestra e la modalità HVAC devono essere visibili tramite il sistema di monitoraggio della struttura.
Non solo il vetro. Non solo l'attuatore. Non solo l'impianto di climatizzazione.
Le impostazioni operative integrate devono essere verificate in condizioni interne ed esterne ragionevoli.
Il ricambio d'aria naturale può integrarsi con vetri ad alte prestazioni quando la facciata prevede aperture apribili, valori di U-factor e SHGC adeguati alle condizioni climatiche, sistemi di ombreggiamento esterni e misure che impediscono l'apertura simultanea delle finestre e il raffreddamento meccanico non necessario, consentendo al vetro di regolare il flusso di calore mentre le aperture mirate garantiscono il ricambio d'aria in presenza di condizioni esterne adeguate.
Il vetro migliora le prestazioni a serratura chiusa e riduce i carichi solari o conduttivi; la parte apribile gestisce il flusso d'aria. Svolgono funzioni diverse e devono essere distinte l'una dall'altra.
Il vetro Low-E è indicato per gli edifici ventilati naturalmente, poiché il suo sottile rivestimento metallico o di ossido metallico riduce il trasferimento di calore a infrarossi a onde lunghe senza impedire l'apertura dell'anta o della presa d'aria; in questo modo, quando è chiuso, il sistema è in grado di limitare l'apporto di calore per induzione e la dispersione termica, pur mantenendo il flusso d'aria previsto quando le condizioni lo consentono.
Il tipo di rivestimento e il coefficiente SHGC devono essere scelti in base al clima e all’orientamento. Una specifica Low-E comune può ridurre un carico, ma al contempo generarne un altro.
La soluzione di vetratura ottimale per un edificio ventilato naturalmente è un sistema specifico per l’orientamento che regoli il guadagno termico solare, la trasmissione termica per conduzione, l’abbagliamento e l’illuminazione diurna, senza rendere la superficie apribile troppo pesante, limitata, fragile o difficile da gestire; non esiste infatti un tipo di vetro, una finitura, una colorazione o un coefficiente SHGC universali che funzionino in ogni ambiente.
Una facciata esposta a ovest, soggetta a forte irraggiamento solare, potrebbe richiedere un efficace controllo solare. Una facciata esposta a nord, in un ambiente freddo, potrebbe invece privilegiare un fattore U molto basso e un maggiore passaggio termico percepibile.
Le finestre apribili non riducono di per sé l’efficienza energetica; a farlo è invece un uso non controllato, in particolare quando le finestre rimangono aperte durante il riscaldamento o il raffreddamento meccanico, in presenza di umidità negativa, temperature esterne elevate o qualità dell’aria inadeguata, mentre le aperture dotate di un sistema di interblocco efficace possono ridurre la necessità di ventilazione e raffreddamento in condizioni climatiche favorevoli e favorire un’efficace dispersione del calore durante la notte.
La differenza sta nel controllo. Una finestra aperta senza un sistema di raffreddamento o riscaldamento rappresenta in genere uno spreco energetico; una finestra aperta nell’ambito di una sequenza in modalità mista ben gestita può invece costituire una soluzione energetica.
La ventilazione a modalità mista è un approccio operativo ibrido che sfrutta il ricambio d'aria naturale quando le condizioni esterne consentono di mantenere un livello adeguato di comfort e qualità dell'aria, per poi passare alla ventilazione meccanica o al condizionamento quando fattori quali calore, umidità, contaminazione, rumore, vento, sicurezza o carichi degli occupanti superano la capacità passiva dell'ambiente esterno.
Per molti edifici commerciali, ritengo che un approccio misto sia più attendibile rispetto a un impegno basato esclusivamente sul clima naturale, poiché tiene conto della variabilità meteorologica e dei carichi interni, anziché presumere che ogni ora sia adatta per tenere le finestre aperte.
La ventilazione naturale e i vetri ad alte prestazioni possono coesistere. Le prove ci sono già.
Tuttavia, anche una specifica tecnica del vetro di alta qualità abbinata a un progetto che prevede un flusso d’aria insufficiente darà comunque origine a un edificio poco efficiente. Le dimensioni delle aperture, l’estetica del vetro, le finiture, il coefficiente SHGC, il fattore U, la lavorazione dei bordi, i carichi delle apparecchiature, le misure di sicurezza, l’ombreggiatura, l’automazione, l’interconnessione tra riscaldamento e raffreddamento e le procedure di messa in servizio devono essere definiti prima dell’acquisto, non stabiliti a posteriori dopo la consegna dell’immobile.
Riunire in un’unica analisi tecnica i disegni altimetrici, gli orari di apertura, i valori target per i vetri, le dimensioni dei pannelli, i requisiti di sicurezza, le quantità e le condizioni operative previste. È da qui che parte un approccio affidabile alla ventilazione naturale.
