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FOCUS

Cool Materials: strategie per la riduzione dell'effetto isola di calore

di Rosa di Gregorio

Agire sulle superfici, come pavimentazioni e coperture, attraverso i Cool Pavements e i Cool Roof mitiga le emissioni di calore in ambito urbano

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Fuladlu, Kamyar & Riza, Müge & Ilkan, Mustafa. (2018). THE EFFECT OF RAPID URBANIZATION ON THE PHYSICAL MODIFICATION OF URBAN AREA
XX/07/2021 - Il cambiamento climatico è un tema di grande attualità. Diversi sono stati i focus sulle strategie e le novità tecnologiche per contrastare questo fenomeno. Proseguiamo il nostro percorso parlando di isola di calore urbana, evento che concorre, anche se non in prima linea, al fenomeno più ampio del Global Warming, e dell'uso dei Cool materials (materiali freddi) per limitarne gli effetti.
 
Con isola di calore urbana si intende un’area urbana o metropolitana che è significativamente più calda delle limitrofe aree suburbane e rurali a causa dell’azione dell’uomo che ne ha modificato la superficie. La differenza di temperatura è generalmente più rilevante nelle ore notturne piuttosto che durante il giorno e l’isola di calore urbana è maggiormente evidente in estate.
 
Tre sono i fattori che contribuiscono a generare l'isola di calore urbana:
- Fattori fisico-materici: i materiali con cui è costruita la città.
- Fattori morfologici: la forma della città.
- Fattori antropogenici: funzioni e attività svolte nella città.
 
Le conseguenze dovute all'effetto dell’isola di calore sono molteplici e incidono sulla qualità degli ecosistemi e dell'ambiente urbano, producono malessere psico-fisico e inevitabilmente anche un danno economico.
 
Cool Materials: strategie per la riduzione dell Variazioni della temperatura superficiale e atmosferica, EPA 2008. Reducing Urban Heat Islands
 
Le strategie per mitigare l’isola di calore urbana sono diverse: una è quella che prevede di ridurre le emissioni di calore delle superfici urbane, ovvero di agire sui materiali che costituiscono la città, attraverso la modifica della riflettanza solare (o albedo) - la frazione di radiazione riflessa da una superficie rispetto alla radiazione solare che la investe - e dell’emissività termica, cioè la capacità di una superficie di trasmettere energia sotto forma di radiazione termica.
 
I materiali organici o inorganici con elevato indice di riflettanza solare (SRI) cioè con straordinaria capacità di respingere la radiazione solare, sono chiamati Cool Materials. SRI è frutto di un calcolo che tiene conto sia delle misure di riflettanza solare della superficie che della sua emissività termica, in fissate condizioni di irraggiamento e di ventilazione. Maggiore è SRI, maggiore è la capacità delle superficie di rimanere “fredda”. (1)
 
Tra i cool materials già disponibili sul mercato troviamo i cool roof e cool pavements. Parleremo dei cool roof assieme a Derbigum, mentre con Claudia Capone, R&D Project Manager di Italcementi ci soffermeremo sui cool pavements.
 
Cool Materials: strategie per la riduzione dell Mappa isotermica raffigurante un'isola di calore urbana atmosferica notturna, EPA 2008. Reducing Urban Heat Islands
 

Cool roof per contrastare l’isola di calore urbana

Come lavora un cool roof?
 
“Un cool roof funziona operando su due aspetti, entrambi concorrenti alla mitigazione delle temperature:
- Riflettanza: determinata dal colore della superficie. Più questo è chiaro, migliore è la riflessione dell’energia solare nel campo visibile;
- Emissività: determinata dalle caratteristiche chimiche intrinseche del materiale, quindi sulla capacità di “raffreddarsi” rapidamente in merito alla quota di energia non riflessa.
Queste grandezze, misurabili e comunemente rappresentate in valore percentuale, concorrono nel calcolo del valore di SRI (Solar Reflectance Index), che sarà tanto più alto quanto più alti saranno i valori percentuali di entrambe le grandezze del prodotto scelto.”

Cool Materials: strategie per la riduzione dell Esempio degli effetti combinati della riflettanza solare e dell'emissività termica sulla temperatura della superficie del tetto, EPA 2008. Reducing Urban Heat Islands
 
I cool roof si differenziano a seconda della pendenza in: Low-sloped Cool Roof (tetto piano) e Steep- Sloped Cool Roof (tetto inclinato).
Quali caratteristiche dovrà avere il materiale al fine di rendere la superficie idonea ad essere un cool roof?
 
“A seconda della pendenza di una superficie, la luce solare inciderà e, di conseguenza, verrà riflessa in modo differente. Questo significa che, specialmente nei mesi più caldi, e tanto più sarà bassa la latitudine, tanto più le superfici piane avranno un’incidenza minima, con conseguenza di alto assorbimento. In virtù di questo aspetto, le coperture “steep sloped” non necessitano di elevati valori di riflettanza, mentre le coperture “low sloped” invece dovranno incrementare il valore di riflettanza. Ugualmente, tanto più l’irraggiamento sarà alto, tanto maggiore dovrà essere la caratteristica di emissività del materiale utilizzato.”

Cool Materials: strategie per la riduzione dell Energia solare vs lunghezza d'onda che raggiunge la superficie terrestre, EPA 2008. Reducing Urban Heat Islands
 
Concentriamoci sui tetti piani, quali sono le tipologie di rivestimento che si possono utilizzare e che differenza c’è?
 
“Nelle coperture piane, come detto, è importante avere un elevato valore di riflettanza, tuttavia non deve essere trascurato l’aspetto di emissività. Come anticipato, l’emissività è determinata dalla natura chimica del materiale, quindi diversi materiali emettono in modo differente ed alcuni potrebbero “immagazzinare” calore che si aggiungerebbe a quanto accumulato i giorni precedenti, inficiando i benefici correlati al colore chiaro. Derbigum ha sviluppato la membrana DERBIBRITE NT, un prodotto nato appositamente per la normativa cool roof statunitense promossa a fine anni Novanta.”
 
Cool roof e isolamento non sono due soluzioni comparabili perchè lavorano differentemente.
Cosa dovrebbe portare i costruttori o la committenza a scegliere un cool roof piuttosto che l’isolamento della copertura?
La superficie di un cool roof riflette l’energia solare anche in inverno. I benefici, in termini di raffrescamento estivo, sono molto più alti della mancata energia assorbita in inverno destinata a riscaldare l'edificio?
 
Cool roof prima e dopo
 
“Un manto cool roof riduce la quantità di energia assorbita per irraggiamento diretto, questo significa che la temperatura superficiale del manto rimane bassa, riducendo di conseguenza la forbice differenziale tra interno ed esterno. Da questo punto di vista anche l’isolante ne trae grande giovamento sia in termini di durabilità che di efficienza. Tecnicamente cool roof e isolamento, correttamente progettati, concorrono nel raggiungimento di prestazioni altrimenti impossibili da raggiungere. Va ricordato che l’efficacia del cool roof è tale solo quando il beneficio di risparmio in clima estivo supera la perdita prestazionale invernale.”
 
Sulla base di quali criteri va fatta questa scelta progettuale?
 
“L’applicazione del cool roof è indipendente dal fatto che un edificio sia raffrescato o meno durante l’estate, questo perché lo scopo principale di un cool roof è “abbattere il fenomeno di Isola di Calore” concorrendo nel tenere bassa la temperatura dei centri urbani e riducendo la temperatura superficiale dei tetti. Da questo punto di vista ogni tetto, quindi, contribuisce al beneficio degli edifici limitrofi. Si dovrebbe inoltre utilizzare un prodotto stabile nel tempo e che richieda poca manutenzione, altrimenti si rischierebbe di non avere un prodotto prestazionale nel tempo.
 
Quando l’utilizzo del cool roof è davvero utile e si traduce in una scelta vincente?
 
Nei centri urbani il cool roof può ridurre enormemente le temperature, ma diventa utile anche per i capannoni industriali permettendo di ottimizzare i consumi energetici e di incrementare il rendimento di eventuali impianti fotovoltaici, proprio grazie alla riduzione della temperatura superficiale. Su strutture in acciaio, più sensibili alle escursioni termiche, un manto cool roof può ridurre notevolmente le variazioni di temperatura, ottimizzando pertanto persino questo aspetto strutturale. Persino se installato su edifici senza isolamento, può abbattere le temperature garantendo un miglioramento della vivibilità dei locali sottostanti.”
 
Un esempio di installazione di cool roof in ambito produttivo/industriale è quello della sede di JAM International, un’industria italiana che ha deciso di migliorare l’efficienza energetica del proprio tetto, attraverso l’installazione di una copertura altamente riflettente, che ospita a sua volta un impianto fotovoltaico. Grazie al raffrescamento passivo del cool roof si ottiene un risparmio di energia della superficie su cui sono installati i pannelli, assicurando così un miglior funzionamento dell’impianto stesso.

Cool Materials: strategie per la riduzione dell Applicazione cool roof per la sede JAM International, PRIMA e DOPO, ©Derbigum
 

Cool pavements per contrastare l’isola di calore urbana 

Come lavorano i Cool pavements?
 
“Le pavimentazioni outdoor assorbono e immagazzinano una frazione della radiazione solare che li investe, con conseguente surriscaldamento locale della loro superficie, nell’ambito del più vasto fenomeno noto come Isola di calore urbana. La riflettanza solare è, insieme all’emissività termica, un parametro-chiave per la caratterizzazione della risposta termica della superficie sottoposta all’irraggiamento solare; la loro combinazione è l’indice riflessione solare (SRI): maggiore è SRI, minore è il surriscaldamento cui la superficie irraggiata dal sole è soggetta. L’impiego di specifici pigmenti cool consente di mantenere le superfici più fredde, aumentando la quota di energia solare riflessa, soprattutto nel campo del vicino infrarosso (NIR) dove si concentra la radiazione termica.”

Cool Materials: strategie per la riduzione dell Temperature convenzionali della pavimentazione, EPA 2008. Reducing Urban Heat Islands
 
L’affermazione i risultati dei cool pavements si raggiungono solo se questi sono usati in larga scala è corretta?

“È corretto. Come è intuibile che l’effetto di surriscaldamento delle pavimentazioni sia più marcato nelle zone con estati calde e parecchie ore di soleggiamento, a svantaggio del comfort urbano dei pedoni, è altrettanto facile comprendere che l’effetto dei cool pavements è proporzionale alle aree rivestite: più sono estese le superfici cool, più sono le aree in cui il cittadino può risentire del loro effetto benefico di mitigazione del calore urbano.”
 
Tutte le superfici pavimentate, come strade, piazze, parcheggi, marciapiedi, possono essere ricopertcon cool pavements. È una tecnologia adatta sia al traffico veicolare che pedonale?
 
“Se per cool pavement intendiamo la somma delle soluzioni a base cementizia e di asfalto, la risposta è affermativa. Se guardiamo in particolare a masselli cementizi autobloccanti e pavimentazioni cementizie drenanti, queste sono più congeniali ad applicazioni su aree destinate al traffico pedonale, a piste ciclabili e a parcheggi. Nei Paesi in cui le strade in calcestruzzo sono già una realtà, la funzionalizzazione cool potrebbe egualmente realizzata.”
 
La soluzione di Italcementi è i.idro DRAIN, un calcestruzzo studiato per pavimentazioni drenanti a cui si può aggiungere la funzionalità cool. Un connubio che da una parte contribuisce al deflusso dell’acqua piovana e dall’altra al comfort del cittadino all’aperto, riducendo l’assorbimento della radiazione solare.
 
Nel report “Reducing Urban Heat Islands: Compendium of Strategies: Cool Pavements” dell’EPA del 2008 si sottolinea che "l’energia riflessa è dispersa per convezione e raffreddamento attraverso l’evaporazione". Per incrementare questi due processi la superficie dei Cool pavements deve essere rugosa. Sebbene la rugosità possa aumentare la convezione e il raffreddamento, potrebbe invece ridurre la riflettanza solare netta della superficie? 
 
“Su superfici rugose le radiazioni possono subire fenomeni di 'rimbalzo/diffusione', che si aggiungono agli altri fenomeni di trasporto di calore nel determinare l’equilibrio termico locale. Si potrebbe, inoltre, legare la più elevata rugosità di una superficie con la sua maggiore potenziale tendenza a trattenere lo sporco e agenti che possano alternarne le proprietà ottiche e di riflettanza. Se, da un lato, la rugosità, più o meno marcata, resta una caratteristica 'intrinseca' delle pavimentazioni urbane, dall’altro gli effetti positivi di superfici cementizie cool, non necessariamente bianche ma anche colorate, sulla riduzione della temperatura superficiale delle pavimentazioni cool rispetto a quelle tradizionali di colorazione confrontabile restano evidenti.”

Cool Materials: strategie per la riduzione dell Superfici impermeabili e ridotta evapotraspirazione, EPA 2008. Reducing Urban Heat Islands
 
Spesso si parla di urban tree shading systems. Cosa sono e in cosa si differenziano dai Cool pavements?

“Gli urban tree shading systems sono una strategia sinergica a quella dei reflective pavements. Si tratta, cioè, di promuovere la vegetazione urbana che produce, tra i vari benefici al microclima urbano, ombreggiamento delle superfici, ivi comprese quelle delle pavimentazioni circostanti. Riflessione, assorbimento e trasmissione sono i meccanismi con cui il verde urbano intercetta e dissipa la radiazione solare. Lavori di letteratura recente (2) riportano che i sobborghi senza alberi sono più caldi di 2-3 °C rispetto ai sobborghi con alberi maturi. In definitiva, le strategie dei cool pavements e del tree shading si possono ritenere integrabili e sinergiche.”
 
Cool Materials: strategie per la riduzione dell Prove di laboratorio su pavimentazione ©Italcementi

Quali ricerche sta conducendo Italcementi?
 
"Il progetto di riferimento COOL IT è un progetto finanziato di 4 anni (dic 2017-nov2021), in cui Italcementi è Capofila e collabora con il Centro Ricerche ENEA di Bologna. Il progetto è a valere sul fondo di Ricerca di Sistema Elettrico/MiSe.
L’obiettivo è testare l’impatto sui risparmi di energia per raffrescamento in edifici rivestiti con cool materials cementizi sperimentali e sul comfort all’aperto di pavimentazioni cementizie sperimentali realizzate con pigmenti cool con elevata riflettanza nel NIR, visto che la regione del vicino infrarosso (NIR) è quella nella quale si concentra la radiazione termica."
 


 Foto di copertina source: https://www.researchgate.net/

(1) I Cool materials: una soluzione per combattere il calore nelle città, Italcementi
 
(2) Ref: Cheela, V.R.S.; John, M.; Biswas, W.; Sarker, P. Combating Urban Heat Island Effect—A Review of Reflective Pavements and Tree Shading Strategies. Buildings 2021, 11, 93. https://doi.org/10.3390/buildings11030093

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