Affinché un edificio possa definirsi "passivo", esso deve contemporaneamente soddisfare un pacchetto di requisiti che si traducono, per il sistema edificio-impianto, in elevati livelli prestazionali sia dal punto di vista energetico che della sostenibilità ambientale. A tal fine, componenti opachi e finestrati devono presentare un ottimo isolamento termico ed il sistema di Ventilazione Meccanica Controllata (VMC) deve abbinare elevata efficienza ed efficacia. Dal punto di vista della sostenibilità ambientale la casa passiva si pone un duplice obiettivo: avere il minore impatto possibile sull’ambiente (per quanto attiene sia le emissioni di gas serra che lo sfruttamento delle risorse rinnovabili) ed implementare la qualità ambientale interna globale (comfort termoigrometrico, acustico ed illuminotecnico e Indoor Air Quality). La consapevolezza energetica dell’edificio si integra fortemente con un ulteriore obiettivo che mira all’implementazione dello sfruttamento degli apporti energetici gratuiti, attraverso lo studio dei componenti finestrati e l’uso di appropriati prodotti edilizi che agiscono da sistemi solari passivi a guadagno diretto.
La casa passiva è un edificio in cui i requisiti relativi al comfort interno ed al microclima sono raggiunti e controllati limitando l’ausilio di sistemi di climatizzazione attivi convenzionali. Il termine "passiva" deriva dal fatto che la casa è in grado di riscaldarsi pressoché da sola.
Nel primo edificio passivo, un complesso di case a schiera a tre piani, realizzato nell'autunno del 1990 a Darmstadt - Kranichstein, i consumi di energia sono risultati inferiori del 90% di quelli di una casa tradizionale.
Dopo questa prima esperienza la realizzazione di edifici passivi si è intensificata (attualmente nella sola Germania esistono più di 3.000 edifici passivi), e nel 1996 è stato fondato il Passivhausinstitut (PHI) di Darmstadt, un istituto indipendente di ricerca e sperimentazione che si occupa dell'analisi e dello sviluppo di strategie energeticamente efficienti. Il PHI in particolare si occupa di costruzioni di tipo passivo, dell’analisi dei componenti edilizi ed impiantistici, nonché della certificazione e della valutazione delle prestazioni degli stessi. Attualmente non esiste un documento ufficiale riconosciuto come norma in cui vengano definiti gli standard delle case passive: i requisiti definiti dal PHI in base a continue ricerche per il momento sono solo indicazioni testate e certificate dall'Istituto. Ogni anno, a seguito anche di sperimentazioni e monitoraggi continui in campo, il PHI formula ulteriori specifiche prestazionali agli standard fissati in precedenza nell’ottica di un miglioramento continuo delle prestazioni energetiche ed ambientali dell'edificio.
Inizialmente i requisiti prestazionali per un edificio passivo prevedevano:

• fabbisogno di energia utile per riscaldamento £ 15 kWh/m²a;
• assenza di ponti termici (definito con temperature interne superficiali sotto 17°C);
• alta tenuta all'aria: n50 < 0,6 h^-1;
• fabbisogno di energia primaria totale £ 120 kWh/ m²a;

Successivamente, con la realizzazione di edifici passivi anche a latitudini più basse, è stato introdotto uno standard che tenesse conto del problema del surriscaldamento estivo:

• la percentuale di giorni con temperatura interna dell'aria ti > 25°C deve essere inferiore al 10%.

Dunque, le caratteristiche più importanti che un edificio passivo deve avere sono principalmente due: un involucro esterno altamente isolato (fig. 1), realizzato senza ponti termici e a tenuta all'aria, e un impianto di ventilazione efficiente in grado di assicurare un adeguato ricambio d’aria agli ambienti.
Per ridurre il fabbisogno energetico dell’edificio a 15 kWh/m²a i componenti opachi dell’involucro devono avere un valore di trasmittanza U < 0,15 W/m²K, questo livello prestazionale può essere raggiunto utilizzando materiali isolanti con una bassa conducibilità termica (λ <=0,045 W/mK) posti in opera con spessori elevati. L’isolamento termico deve essere applicato senza soluzione di continuità ai componenti opachi dell'involucro, e preferibilmente con sistema a cappotto per evitare i ponti termici e la possibile formazione di condensa interstiziale. Nella realizzazione di un edificio passivo occorre inoltre prestare particolare attenzione ai ponti termici che si creano nei collegamenti tra elementi costruttivi diversi (pareti e tetto, balconi, terrazze e gronde, ecc.).
Come visto, maggiori spessori delle pareti assicurano una maggiore resistenza termica dell’involucro, ma comportano anche una riduzione della superficie utile calpestabile; per rispondere a tale problema molte Amministrazioni hanno emanato normative che nel calcolo delle superfici non considerano la parte di muratura esterna eccedente i 30 cm di spessore, e nel calcolo dell’altezza non computano la porzione dei solai interpiano eccedenti i 40 cm di spessore, fino ad un extraspessore massimo di 15 cm.
Per ovviare al problema delle perdite di calore per ventilazione un edificio passivo, necessita di un'elevata tenuta all'aria, soprattutto all’attacco fra il componente finestrato e la muratura. In fase di collaudo la tenuta all'aria viene controllata attraverso il Blower Door Test, che, eseguito secondo la normativa EN 13829, permette di misurare il ricambio d’aria per infiltrazione con un differenziale pressorio fra interno ed esterno di 50 Pa.
Per quanto riguarda i componenti trasparenti, questi devono garantire una buona tenuta all'aria e un rapporto equilibrato fra gli apporti solari diurni e le perdite notturne; non è necessario che captino il massimo degli apporti solari, perché nell'edificio essendo ridotte al massimo le dispersioni, il bilancio termico risulta comunque positivo. Per ottenere questo obiettivo negli edifici passivi si usano componenti finestrati con una trasmittanza totale (telaio, vetro, ponte termico lineare) molto bassa (U < 0,8 W/m²K rispetto a U > 2.5 W/m²K per le normali finestre a doppio vetro) che però facciano passare più del 50% della luce incidente (g » 50%). Infine, la percentuale di superficie vetrata in un edificio passivo viene determinata in base a un bilancio energetico fra perdite di energia termica e guadagni apporti solari: nei paesi dell’Europa centrale, dove la radiazione solare non raggiunge i livelli tipici delle regioni mediterranee, la superficie vetrata sul lato sud di un edificio non dovrebbe superare circa il 30% di quella complessiva della facciata.
Un problema legato alle superfici vetrate è il surriscaldamento estivo, che negli edifici passivi risulta accentuato data l'alta capacità termica dell'involucro. Particolarmente importante è quindi la presenza di sistemi di ombreggiamento opportunamente conformati e diversificati in funzione dell’orientamento dell’apertura. Le tipologie di vetri più utilizzate sono quelle costituite da tre lastre di vetro termico molto trasparente (g » 50%) con interposto un gas nobile (argon o krypton o xenon): il valore U di questi vetri è in media 0,6 W/m²K (si raggiungono i 0,2 W/m²K con sistemi a doppia vetrocamera). Ad un ottimo vetro viene associato un telaio di adeguata qualità, con valori medi di trasmittanza compresi fra 0,7 e 0,8 W/m²K; questi telai speciali possono essere realizzati in vari materiali e tecnologie: telai in legno, metallo o materiale sintetico schiumati internamente, telai in legno in cui viene inserito materiale termoisolante; telai prodotti con poliuretano riciclato, profilati d’acciaio, d’alluminio e di vetroresina schiumati internamente con poliuretano, profilati estrusi in PVC con camere d’aria sul lato interno e su quello esterno.
Al fine di garantire un benessere respiratorio olfattivo ottimale agli occupanti, un edificio passivo beneficia di un ricambio d’aria continuo ed ottimizzato a mezzo di un sistema di VMC, che oltre a garantire il ricambio d’aria necessario ai fini igienici, assicura un idoneo microclima interno. In un edificio passivo dotato di impianto VMC il tasso di ricambio dell'aria richiesto è 0,3 h^-1, che sommato alle perdite d’aria, comunque consentite in un edificio passivo, permette di rispettare il parametro 0,5 h^-1 richiesto per legge.
Al riscaldamento dell’aria contribuiscono anche i carichi termici interni, quali gli occupanti e le apparecchiature presenti (lampade, elettrodomestici, ecc.). L’aria esterna viene prelevata per mezzo di prese d’aria (fig. 2) opportunamente posizionate, filtrata (filtri di classe adeguata all’inquinamento dell’aria esterna), immessa negli ambienti principali (salotto, sala da pranzo, camere, studio) ed infine espulsa dai servizi (cucina, bagno); fessure tra la porta e il pavimento (circa un centimetro) permettono un flusso d’aria continuo anche quando le porte sono chiuse.
Al sistema VMC sono abbinati vari dispositivi tecnologici: scambiatori che recuperano calore dall’aria esausta, pompe di calore, collettori solari, scambiatori di calore interrati che sfruttano la temperatura del terreno che si mantiene pressoché costante. Un tipico sistema impiantistico di un edificio passivo prevede il recupero del calore dell’aria esausta prima che questa venga espulsa all’esterno tramite recuperatori di calore caratterizzati da un rendimento almeno del 75-92% (figg. 3-4). Normalmente il calore recuperato non è ancora sufficiente per raggiungere la temperatura ambiente desiderata: per questo motivo a molti impianti di ventilazione è integrata una piccola pompa di calore aria/aria che viene utilizzata anche per scaldare l’acqua sanitaria. La pompa di calore va integrata nel sistema in modo che l'evaporatore si trovi nel canale dell’aria esausta e il condensatore in quello dell’aria in ingresso.
Le piccole pompe di calore usate negli impianti di ventilazione di edifici passivi hanno una potenza di 300 – 500 Watt, portando la potenza complessiva del sistema a 500 – 800 Watt. Proprio per gli edifici passivi sono stati recentemente sviluppati degli apparecchi chiamati "aggregati compatti", delle dimensioni di un frigorifero con congelatore, che inglobano il ventilatore, gli scambiatori, il sistema di regolazione, una piccola pompa di calore e anche un serbatoio per l’acqua calda sanitaria che può essere collegato ad un collettore solare. I motori funzionano a corrente continua (24 V) e hanno una potenza inferiore a 40 Watt. I ventilatori consentono una portata d'aria compresa tra 80 e 210 m³/h e hanno una potenza specifica compresa fra 0,3 e 0,45 Watt ogni metro cubo di aria trasportata. I comuni ventilatori hanno invece una potenza di 100 W, troppo alta per gli standard di un edificio passivo. Spesso negli edifici passivi si usano anche particolari scambiatori di calore interrati che sfruttano il fatto che ad una determinata profondità (già tra 120 – 200 cm) la temperatura del terreno rimane quasi costante per tutto l’anno: questo fenomeno viene sfruttato sia in inverno per il riscaldamento che in estate per il raffrescamento degli ambienti.
L’efficacia dello scambiatore dipende dalla superficie, dalla profondità e dalla lunghezza dello stesso e viene calcolato e dimensionato rispettivamente per ogni progetto.
In un edificio passivo la produzione di acqua calda, che occupa il primo posto tra i consumi energetici, viene effettuata con collettori solari ad acqua ed integrata dalla fonte di energia primaria di riscaldamento. In un edificio passivo è particolarmente importante che il serbatoio e tutte le tubazioni che trasportano acqua calda siano installati all’interno dell’involucro termico dell’edificio e siano ben isolati.
Un edificio passivo senza riscaldamento convenzionale consuma prevalentemente energia elettrica per azionare l’impianto di ventilazione e per i consueti usi domestici; i maggiori consumi comunque derivano dall’illuminazione e dagli elettrodomestici e possono essere dimezzati utilizzando elettrodomestici e lampade a basso consumo energetico. L’energia elettrica necessaria ad un edificio passivo può essere prodotta anche tramite un impianto fotovoltaico, che date le ridotte richieste e le possibilità di accedere ad incentivi può diventare competitivo, o con impianti di cogenerazione, eolici, ecc.
La manutenzione del sistema aeraulico di un edificio passivo è piuttosto semplice, e consiste essenzialmente in un programma manutentivo che comprenda: sostituzione dei filtri dell'impianto di ventilazione ogni 3 mesi; pulitura periodica del sifone dello scambiatore interrato; videoispezione dei canali con telecamera ogni 5 anni; controlli periodici all'impianto solare; eventuale sostituzione di parti della pompa di calore ogni dieci anni.
Ai fini della valutazione del fabbisogno energetico di un edificio passivo viene utilizzato un metodo di calcolo semplificato rispetto alle procedure previste dalla EN 832 (perché gli edifici passivi non possiedono un impianto di riscaldamento tradizionale), e al contempo più preciso, il Passivhaus Projektierungs Paket (PHPP) del Dr. Feist del PHI di Darmstadt.
Nello sviluppo delle tecniche di costruzione degli edifici passivi ha avuto una parte fondamentale il monitoraggio eseguito sugli stessi dal PHI al termine della costruzione per verificarne le prestazioni. I continui controlli hanno messo in evidenza i punti critici dell'edificio; questi, affrontati e risolti di volta in volta, hanno portato ad un consolidamento di appropriate tecniche costruttive, che risultano comunque in continua evoluzione.
In questa direzione, ispirata alla filosofia progettuale del PHI, si sta muovendo la Z-Consulting, che in collaborazione con il Laboratorio di Fisica Ambientale per la Qualità Edilizia dell’Università degli Studi di Firenze stanno organizzando un monitoraggio delle prestazioni ambientali (comfort termoigrometrico e qualità dell’aria) in alcuni edifici passivi e non, per poter fare successivamente un corretto confronto fra le prestazioni di entrambi.
L'interesse per gli edifici passivi è dimostrato anche dal recente progetto Europeo CEPHEUS (Cost Efficient Passive House as Europen Standard), iniziato nel 1998, che è un progetto dimostrativo finalizzato alla sperimentazione e valutazione in cinque paesi europei (Germania, Svezia, Svizzera, Austria e Francia) del modello della casa passiva. Le prestazioni dei 14 edifici realizzati sono state attentamente valutate mediante l’analisi dei parametri inerenti il comfort termico, la qualità dell’aria indoor, l’efficienza dei sistemi di riscaldamento, la salvaguardia dell’ambiente, i caratteri morfologici, il rapporto costi-benefici, i costi di costruzione dell’edificio. Tali valutazioni hanno dimostrato la fattibilità tecnica ed economica delle case passive per un elevato numero di tipologie edilizie e di collocazioni geografiche.

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