Cina: ventilazione naturale nei grattacieli
Yang Jie

La Cina conta attualmente una popolazione di 1,25 miliardi di persone ed è la nazione più popolosa al mondo. L’aumento della popolazione e la concentrazione nelle grandi città causa numerosi problemi ambientali. Nelle ultime due decadi, in concomitanza con il rapido sviluppo economico e l’urbanizzazione, l’orizzonte cinese viene intasato da costruzioni ad alta densità residenziale.
Oggi la percentuale di consumo energetico degli edifici rispetto all’energia totale consumata, inizia ad essere molto più accentuata rispetto al passato: i dati in possesso mostrano come già nel 1999 il consumo dell’energia degli edifici toccasse il 27,6% del totale energetico di tutto il Paese, comprendendo in tale percentuale il consumo derivato dall’utilizzo di aria condizionata, riscaldamento, illuminazione, cucinare, acqua calda ad uso domestico, ecc. In tale quadro, i consumi relativi al condizionamento invernale ed estivo ricoprono le parti più significative.
Le ricerche mostrano che nel sud della Cina il numero di abitazioni con impianti ad aria condizionata aumenta con una velocità superiore al 20% annuo. L’obiettivo di ogni edificio energicamente efficiente consiste dunque nel ridurre il consumo energetico connesso con il condizionamento invernale ed estivo, pur mantenendo all’interno situazioni confortevoli.
Sulla base di tali premesse risulta evidente come la ventilazione naturale possegga potenziali per incidere in maniera positiva sia sulla qualità dell’aria interna sia sul risparmio energetico in quanto può essere usata sia per rinfrescare nelle stagioni intermedie che per rimuovere l’aria viziata. Si tratta tuttavia di strategie relativamente complesse poiché anche in configurazioni architettoniche relativamente semplici sono molti i fattori che entrano nelle dinamiche di ventilazione naturale. In ogni caso gli elementi con maggiore rilevanza fanno riferimento alla distribuzione degli ambienti e soprattutto alla posizione delle aperture interne ed esterne.
Ma, come è noto, il fluire dell’aria da un’apertura all’altra è determinato dalla differente pressione per cui l’obiettivo di una ventilazione corretta è raggiungibile solo attraverso lo studio dettagliato delle correnti che circondano l’edificio e della distribuzione della pressione sul suo sviluppo. Specialmente nei climi caldi la determinazione della pressione esterna causata dal vento e dagli effetti di fluttuazione risulta complicata soprattutto con riferimento alla individuazione dei punti di applicazione della pressione, alla velocità di arrivo del vento e alla sua direzione, fino alla determinazione della dimensione dell’edificio e della sua forma, alla misura e collocazione delle aperture, ecc. Inoltre, specialmente in città ad alta densità urbana quali Hong Kong, i nuovi edifici sono raramente isolati dagli altri per cui, assieme alla considerazione della distribuzione delle pressioni esterne, diventa importante prendere in considerazione gli effetti dell’ostruzione dei flussi. Per riassumere, l’accuratezza di un progetto di ventilazione naturale dipende essenzialmente dalla profondità delle informazioni sulla distribuzione di pressione.
Nelle espansioni cittadine ove gli aggregati hanno bassa densità ed altezza limitata, si sono avuti positivi successi sia progettuali che pratici adottando i criteri definiti attraverso la tradizione; questi tuttavia non risultano applicabili negli edifici alti delle città anche perché si ha a che fare con microclimi probabilmente diversi. In questi casi molti studi si appoggiano sulle determinazioni desunte mediante le gallerie del vento in cui vengono simulate e misurate le correnti d’aria attorno agli edifici, tuttavia tali informazioni recuperabili attraverso approcci sperimentali risultano generalmente limitate dall’alto costo e dai lunghi tempi delle prove.
Più efficaci risultano oggi le simulazioni matematiche, per esempio realizzate con l’aiuto del software CWE (Computational Wind Engineering) che consente di determinare la distribuzione della pressione esterna con ragionevole approssimazione anche in riferimento agli effetti sui palazzi adiacenti.
Metodi di simulazione
Dal momento che l’individuazione della distribuzione del vento attorno all’edificio è davvero complessa, di solito si tralascia l’influenza reciproca tra edifici adiacenti.
Infatti se la simulazione è modellata su un’area vasta il numero dei punti di calcolo diventa enorme ed il calcolo davvero difficile.
Tuttavia è frequente che le aree ad alta densità siano caratterizzate da volumi molto simili, cioè prismi a base rettangolare. In fase di approssimazione è possibile effettuare ulteriori livelli di semplificazione considerando gli edifici come distribuiti in maniera più regolare. Questo consente di considerare ampiezze di area maggiori, di ipotizzare venti provenienti a velocità costante da differenti direzioni e infine di verificare le mutue relazioni tra edifici con altezza diversa e reciproca distanza variabile. La letteratura recente propone numerosi modelli teorici per lo studio delle turbolenze, dai semplici modelli algebrici a modelli altamente sofisticati quali il modello di flusso Reynolds-stress (RSTM).
L’ingegneria del vento attribuisce tuttavia maggiore attenzione all’originale modello k-e proposto da Launder e Spalding più di tre decadi fa (ancor’oggi il più diffuso tra gli studiosi di aerodinamica per la sua semplicità, fondatezza e ragionevole approssimazione) e alla simulazione large-eddy (LES) (solo in apparenza limitata nelle applicazioni, di fatto consente un’accurata descrizione delle correnti in costi e tempi contenuti). Nel caso esemplificato è stato utilizzato il modello standard k-e per individuare i coefficienti di pressione media nel tempo, simulando le correnti aeree attorno agli edifici.
I risultati desunti applicando il CWE indicano con evidenza che la pressione sugli edifici è fortemente influenzata dalla direzione del vento, dallo spazio intercorrente tra i palazzi e dalla loro altezza. In particolare viene verificato come la pressione negli edifici retrostanti è fondamentalmente determinata dalla loro distanza rispetto alla fila di edifici precedenti (la ventilazione naturale viene impedita dall’eccessiva costipazione dei volumi) e dall’altezza di questi. Nelle situazioni di vento frontale (angolo è uguale a 0° = direzione del vento normale) la pressione è ovviamente maggiore in sul fronte che sul retro, il che rende complicato arieggiare gli ambienti che si affacciano sottovento e contrasta la possibile circolazione determinata dalle differenze di temperatura. La situazione ottimale in ogni caso è data da file progressivamente più alte, sufficientemente distanti e reciprocamente sfalsate.