Il materiale di un tetto può raffreddare l’aria esterna e ridurre la domanda di energia?

I ricercatori hanno esaminato tre diversi tipi di strategie di copertura e il loro impatto sulla temperatura in prossimità della superficie e sulla domanda di energia per il raffreddamento attraverso la modellazione regionale nell’area di Chicago.

L’effetto di mitigazione sulla temperatura a 2 m da (a) Cool Roof, (b) Green Roof e (c) Solar Panel Roof durante il giorno. (df) mostra la differenza durante la notte. Le unità sono in gradi Celsius. Immagine del Laboratorio Nazionale Argonne.

Marciapiedi di cemento, strade di asfalto nero, traffico, edifici in mattoni e acciaio. Questi elementi comuni della città possono trattenere il calore e aumentare le temperature in un fenomeno chiamato effetto isola di calore urbano.

Con temperature sempre più calde durante i mesi estivi, le città urbane come Chicago devono fornire ai decisori e alle comunità informazioni sulle strategie per aiutare a mantenere i propri residenti al fresco. Una strategia prevede qualcosa che già tutti gli edifici hanno: un tetto. Alcuni materiali di copertura possono contribuire a raffreddare l’aria esterna circostante e ridurre la necessità di aria condizionata (AC).

Per aiutare a comprendere come il clima sta influenzando le comunità urbane, i ricercatori dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno esaminato tre diversi tipi di strategie di copertura e il loro impatto sulla temperatura in prossimità della superficie e sulla domanda di energia per il raffreddamento attraverso la modellazione regionale nell’area metropolitana di Chicago .

“Abbiamo scelto di eseguire il nostro modello durante un’ondata di caldo, in cui le temperature superano il 95° percentile osservato in una città per tre giorni consecutivi, rispetto alle temperature medie estive, in modo da poter massimizzare i potenziali benefici”, ha affermato Rao Kotamarthi, direttore scientifico di Argonne’s. Center for Climate Resilience and Decision Science (CCRDS) e autore dello studio.

Il team ha eseguito un modello climatico regionale simulando l’area metropolitana di Chicago e tre tipi di tetti: fresco (dipinto di bianco che riflette il calore), verde (vegetazione) e pannelli solari.

“Il costo tra i tetti è di circa un fattore 3. Quale opzione è la più conveniente per ottenere il massimo beneficio? Se una comunità sta decidendo una strategia, possiamo guardare al modello e dare loro una risposta concreta”. — Rao Kotamarthi, direttore scientifico del CCRDS

Hanno scoperto che i tre tipi di tetto riducono la temperatura in prossimità della superficie e la domanda di consumo di aria condizionata durante le ore diurne, quando la temperatura dell’aria è più alta. I tetti freddi hanno ridotto la temperatura superficiale di 1,5 gradi Celsius, seguiti da 1,2 gradi per i tetti verdi e da 0,6 gradi per i tetti a pannelli solari in tutta l’area di Chicago.

Poiché tutte le strategie di copertura offrono effetti di raffreddamento, riducono il consumo di aria condizionata. I cool roof sono quelli che hanno ridotto maggiormente il consumo di energia AC, seguiti dai tetti verdi e dai pannelli solari. È stato dimostrato che la domanda di energia si riduce del 16,6%, 14,0% e 7,6% quando vengono installati rispettivamente cool roof, tetti verdi e tetti con pannelli solari.

Nel complesso, l’implementazione su larga scala dei cool roof ha mostrato il miglior potenziale per gli effetti di raffreddamento e il risparmio energetico di raffreddamento. Costano meno delle altre due tecnologie e non richiedono acqua aggiuntiva. Tuttavia, non sono utili nella gestione dei carichi di acqua piovana come i tetti verdi hanno il potenziale per fare. Le parti interessate possono utilizzare i risultati dello studio per informare gli approcci allo sviluppo sostenibile, ridurre la domanda di energia per il raffreddamento estivo e contribuire a ridurre al minimo le emissioni di gas serra a lungo termine nella regione di Chicago.

Questo lavoro è stato condotto come parte del Laboratorio sul campo integrato urbano della Community Research on Climate & Urban Science (CROCUS). CROCUS è guidato da Argonne in collaborazione con organizzazioni accademiche e comunitarie e campioni civici e industriali. Concentrato sulla regione di Chicago, CROCUS studia il cambiamento climatico urbano e le sue implicazioni per la giustizia ambientale.

Il ciclo diurno dell’impatto delle diverse coperture. Le unità sono in gradi Celsius. (Immagine del Laboratorio Nazionale Argonne.)

I risultati di questo studio di base aiuteranno le comunità CROCUS a pianificare e testare le opzioni di mitigazione. I ricercatori lavoreranno a stretto contatto con le organizzazioni e i membri della comunità CROCUS.

“La differenza di costo tra i tetti è pari a circa un fattore tre”, ha affermato Kotamarthi, che è anche il direttore scientifico di CROCUS. “Quale opzione è la più conveniente per ottenere il massimo beneficio? Se una comunità sta decidendo una strategia, possiamo guardare al modello e dare loro una risposta concreta”.

E i risultati sono un buon punto di partenza per ciò che i ricercatori sperano di ottenere in seguito, un modello su scala urbana e globale per ciascuna delle opzioni di copertura. Ma come si integra un tetto verde in un modello computerizzato? In primo luogo, i ricercatori lavoreranno per comprendere meglio i tetti verdi effettuando misurazioni a livello di superficie e di edificio per migliorare il modo in cui viene rappresentato un tetto verde.

“Abbiamo pochissime misurazioni per i tetti verdi”, ha affermato Kotamarthi. “Dobbiamo misurare quanta energia entra, quanta esce, quanta acqua ha bisogno e quanto velocemente la trattiene. Abbiamo bisogno di queste misurazioni per avere una comprensione completa del processo in modo da poter perfezionare calcoli e modelli”.

I ricercatori misureranno i tetti dei partner CROCUS in tutta la città. Ad esempio, la Northeastern Illinois University ha entrambi i tipi di tetto, mentre altri edifici partner sono dotati di pannelli solari.

Infine, i ricercatori vogliono migliorare la risoluzione del modello fino alla scala stradale. Kotamarthi ha spiegato che raggiungere questo obiettivo li aiuterà a vedere la differenza tra case e strade, il che è importante perché aiuterà a rispondere a domande come, se viene piantato un albero, quanto raffredda l’edificio vicino e il marciapiede?

La ricerca del team ha utilizzato risorse di supercalcolo presso l’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) e il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). L’ALCF e il NERSC sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science situate rispettivamente presso l’Argonne e il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Finanziato dal programma di ricerca scientifica, biologica e ambientale del DOE, il Community Research on Climate and Urban Science (CROCUS) studia il cambiamento climatico urbano e le sue implicazioni per la giustizia ambientale nella regione di Chicago. CROCUS è uno studio collaborativo che coinvolge partner accademici, comunitari e civici tra cui Argonne, Chicago State University, City Colleges of Chicago, North Carolina A&T State University, Northeastern Illinois University, Northwestern University, University of Chicago, University of Illinois Chicago, University of Illinois Urbana-Champaign, Università di Notre Dame, Università del Wisconsin-Madison, Università del Texas-Austin e Washington University-St. Louis. CROCUS collabora inoltre con il Discovery Partners Institute di Chicago e con CIEMAT in Spagna. Le organizzazioni comunitarie CROCUS includono Blacks in Green, Greater Chatham Initiative, Puerto Rican Agenda e Metropolitan Mayors Caucus.

Scopri di più su CROCUS su cro​cus​-urban​.org.

Articolo per gentile concessione dell’Argonne National Laboratory. Di Margherita Huber.

Immagine in primo piano di Anja da Pixabay