Infrastrutture verdi in ambito urbano per mitigare gli effetti dei cambiamenti climatici

Abstract

Il lavoro di ricerca si è incentrato sullo studio delle infrastrutture verdi applicabili agli edifici, come muri e tetti verdi, in virtù del loro possibile maggiore impiego in ambiente urbano, spesso caratterizzato da elevati livelli di antropizzazione e consumo di suolo. L’ambiente urbano è infatti soggetto a problematiche climatico ambientali, che vengono acuite dai cambiamenti climatici in atto e che si ripercuotono sulla popolazione, presentando sempre più gravose sfide sociali ed economiche. Le Nature Based Solution (NBS) applicabili agli edifici, come tetti e pareti verdi, potrebbero fornire rimedi che permettano di fronteggiare le problematiche connesse ai centri urbani con elevata densità di popolazione, come l’innalzamento delle temperature, che genera le Urban Heat Island (UHI), l’elevato consumo energetico e l’inquinamento dell’aria. Tuttavia, l’adozione di soluzioni verdi è accompagnata spesso da scetticismo e preconcetti che non ne facilitano la diffusione, oltre che ad un’oggettiva difficoltà di prevederne gli effetti mitigatori e di quantificarne a pieno i benefici. Per questo risulta di interesse studiarne le interazioni con il sistema edificio ed il microhabitat circostante, al fine di consolidarne tanto la loro azione mitigatrice in ambiente mediterraneo nei confronti dei cambiamenti climatici, quanto il loro ruolo benefico sulla resilienza urbana. In questo studio sono stati monitorati il tetto verde estensivo e la facciata verde di rampicanti, presenti sul green building del Centro Ricerche ENEA Casaccia (RM), con lo scopo principale di valutarne i possibili benefici conseguibili in termini di scambi energetici. Inoltre, a livello della facciata verde, la ricerca ha riguardato anche la valutazione degli effetti della vegetazione sulla qualità dell’aria, al fine di fornire informazioni utili per un impiego consapevole di queste NBS e palesandone gli ecosystem services che possono apportare. Per quanto riguarda gli scambi energetici, le infrastrutture verdi sono state dotate di un impianto di sensori che ha permesso di stimare i flussi termici attraverso la parete dell’edificio, con e senza l’effetto della schermatura di vegetali: dal monitoraggio delle temperature superficiali e della temperatura dell’aria è stato elaborato un coefficiente, denominato K𝑣∗ , da applicare per stimare i flussi termici entranti in un edificio nel caso di una facciata schermata dalla specie Parthenocissus quinquefolia. L’albedo delle coperture vegetali impiegate sul tetto verde è stato studiato con l’utilizzo di un albedometro, per valutare i valori e le variazioni di questo parametro. Il monitoraggio della qualità dell’aria è stato condotto attraverso un campionatore della CO2 e dei sensori dell’O2 dislocati entrambi in 10 punti di campionamento sull’edificio verde e arricchito dallo studio dei composti organici volatili (COV) emessi dalle specie utilizzate. In questo studio, sia la facciata verde costituita da rampicanti che il tetto verde estensivo si sono dimostrati efficaci nello schermare la radiazione solare e nell’abbattere i flussi termici entranti nell’edificio. La temperatura superficiale della parete vegetata durante la stagione calda è risultata inferiore anche di 12°C, con una riduzione del flusso di calore dal 65 al 70% rispetto alla parete esposta al sole, con un risparmio energetico per il raffrescamento stimato di circa 2,4 kWh m-2. Il parametro K𝑣∗ è risultato efficace nello stimare i flussi termici entranti dietro a una facciata verde, con valori approssimabili a quelli calcolati a partire dai sensori di temperatura istallati sulla parete dell’edificio. Il monitoraggio della qualità dell’aria non ha rilevato innalzamenti significativi della CO2 ambientale rispetto al controllo, mentre la concentrazione di O2 è aumentata di 0,26 punti percentuali nell’intercapedine tra la facciata verde e la parete dell’edificio. Nelle condizioni dello studio, nessuna delle tre specie vegetali presenti sulla facciata verde - P. quinquefolia, T. jasminoides ed H. helix – è risultata emettere COV, dimostrandosi specie sicure per essere impiegate in ambiente cittadino. Il tetto verde estensivo irrigato ha ridotto la temperatura del tetto di circa 20 °C nella stagione calda, con un abbattimento di più del 90% del flusso di calore in entrata, contribuendo anche allo sfasamento temporale del picco termico giornaliero. L’albedo del prato di graminacee e del tappeto di Sedum spurium è risultato essere dinamico, influenzato dalla stagionalità e dalla fenologia delle piante. In definitiva, la ricerca condotta nell’ambito di questo Dottorato ha permesso di incrementare la conoscenza delle facciate e dei tetti verdi applicati agli edifici, contribuendo all’obiettivo di poter gestire e adottare con maggiore consapevolezza in sede progettuale tali soluzioni basate sulla natura.

The current research work focuses on Nature Based Solutions (NBSs) suited for buildings, such as green walls and green roofs, aiming at fostering their spread in urban environments, characterised by a high level of anthropization and land consumption. In densely populated cities, the ongoing climate change is exacerbating rising temperatures, Urban Heat Island (UHI), high energy consumption and air pollution. The present scenario force city population to face serious social and economic challenges. Unfortunately, up to now, the uptake of NBSs has often been met by scepticism and bias undermining their diffusion, as well as the difficulties to predict their effects and completely assess their benefits. Thus, in order to consolidate green façades and green roofs’ effectiveness against climate change and their beneficial role on urban resilience, the broadening of scientific knowledge of the possible effects of these NBSs under different technical settings and climatic locations is crucial. The experimental work was lead on a detached green façade and an extensive green roof installed on the prototype building at ENEA Casaccia Research Centre (Rome, Italy). This study aims to quantify the interaction of these green infrastructures with the building energy exchanges and evaluate the green façade influence on air quality, in order to provide useful information for an aware use of these NBSs and to highlight the ecosystem services they can provide. The target green infrastructures were equipped with devices for the measuring of wall and roof surface temperature and air temperature. Data were analysed to quantify the extent of the shading effect and calculate the heat flux through the building, with and without the green coverings. The temperature values registered on the green façade were used to define and develop the so named "K𝑣∗ ", a parameter useful to modelling heat fluxes entering a building shielded with a green façade of Parthenocissus quinquefolia. Albedo values and variations of green roof plant coverings (gramineous turf and Sedum spurium carpet) was measured with albedometer. Air quality monitoring was conducted by means of a CO2 sampler and O2 sensors placed nearby the building and the green façade. Even the evaluation of the Volatile Organic Compounds (VOCs) emitted by the climbing plants of the green façade have been dealt to deep the interaction of the green façade plants with the building environment. The green façade and the extensive green roofs were shown to be effective in reducing the buildings cooling energy demand, by lowering the temperature of the surfaces covered by vegetation and the heat flow through the building. The surface temperature of vegetated wall was reduced up to 12 °C, lowering the heat flux by 65 to 70% during the warm season, with an estimated energy savings of about 2.4 kWh m-2. The K𝑣∗ parameter was useful to modelling heat flux values behind a green façade, approximating effectively those estimated by the temperature sensors installed on the building. The air quality monitoring reported no valuable variation on environmental CO2 compared to the control, while O2 (%) increased by approximately 0.26 percentage points in the gap between the green façade and the building wall. The climbing plants of the sperimental green façade (P. quinquefolia, T. jasminoides and H. helix) were found to be non-emitting VOCs species, worth of note for health safety in the urban environment. The extensive irrigated green roof reduced roof temperature up about 20 °C in the warm season with an over to 90% reduction of incoming heat flux. A further advantage observed was the phase shift of the thermal peak that could contribute to energy demand delay. The green roof coverings albedo has shown to be dynamic, affected by seasonality and plants phenology. Definitely, on the whole this research has increased the knowledge available on green façades and green roofs in Mediterranean climate, achieving the main objective of sustaining to adoption of these Nature-Based Solutions with greater design awareness by urban engineers and designers, but also by the citizens themselves.