- AESS Modena

Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents”
A02p2/S05p1. Pavimentazioni fredde
(Cool pavements)
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
1
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Contenuti del A02 part 2/S05 part 1
•
Introduzione
•
Proprietà radiative delle pavimentazioni
•
Tipologie di pavimentazione fredda e campi di applicazione
•
Vantaggi e limitazioni
•
Caso studio
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
2
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
PAVIMENTAZIONI FREDDE
(COOL PAVEMENTS)
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
3
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
L’effetto isola di calore urbana (UHI)
Wikimedia Commons
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
4
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
L’effetto isola di calore urbana (UHI)
•
•
•
•
A02p2/S05p1. Cool pavements
L’intensità dell’isola di calore si
colloca tra gli 1÷10° C.
E‘ presente in località a basse, medie
e alte latitudini, durante il giorno e il
periodo notturno.
E’ molto rilevante soprattutto nelle
città del Sud l’UHI e si sviluppa in
aree
dense
con
importante
contributo di calore antropogenico e
con un saldo positivo a causa
dell'utilizzo di materiali assorbenti,
mancanza di vegetazione e bassi
tassi di ventilazione urbani calore.
L’intensità
dell’isola
di
calore
aumenta.
PES. MOD. 06
del 14/11/08
5
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
L’effetto isola di calore urbana (UHI)
Temperature
urbane
elevate
Qualità della vita
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
6
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Contrormisure all’effetto UHI
Le tecniche di mitigazione possono basarsi su:
•
Tetti freddi
•
Pavimentazioni fredde
•
Colori freddi: tetti e pareti
•
Vegetazione: tetti verdi, verde verticale, vegetazione urbana
•
Pianificazione Urbana
•
Finestre: schermi, vetri selettivi o pellicole selettive per i vetri
•
Inerzia termica
•
Tetti e pareti ventilati
•
Free cooling
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
7
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Contrormisure all’effetto UHI
Le Pavimentazioni (strade, parcheggi, etc.) coprono una percentuale
importante delle superfici urbane e suburbane.
•
Esse assorbono la radiazione solare, immagazzinano questa energia al di
sotto della superficie e la rilasciano come radiazione infrarossa e per
convezione nei loro dintorni durante il pomeriggio-sera e la notte.
•
Di conseguenza le loro caratteristiche termiche sono molto significativa
in quanto influenzano la temperatura dell'aria degli strati più bassi
dell'atmosfera urbana contribuendo alla formazione dell'effetto isola di
calore urbana.
EPA & LBNL Heat island Group
•
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
8
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: definizione
•
Le pavimentazioni esterne convenzionali sono generalmente
impermeabili, in calcestruzzo o asfalto con valori (SR) di riflettanza
solare da 0,04 fino a 0,45. Anche altri materiali sono utilizzati per le
superfici dell'ambiente urbano come la ghiaia, la pietra, il marmo, il
granulato di gomma, ma non sono così comuni.
•
I materiali convenzionali per pavimentazioni
raggiungere temperature superficiali di 45-80°C
A02p2/S05p1. Cool pavements
esterne
possono
PES. MOD. 06
del 14/11/08
9
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: definizione
Nota: SR = riflettanza solare (albedo), Ts = temperatura superficiale di picco
Stathopoulou, M., Synnefa, A., Cartalis, C., Santamouris, M., Karlessi, T. and Akbari, H.(2009)'A surface heat island study of
Athens using high-resolution satellite imagery and measurements of the optical and thermal properties of commonly used
building and paving materials',International Journal of Sustainable Energy,28:1,59 — 76
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
10
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: definizione
Doulos, L., Santamouris, M., Livada, I., 2001. Passive cooling of outdoor urban spaces. The role of materials. Solar Energy
77, 231–249.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
11
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: definizione
•
Le pavimentazioni fredde fanno riferimento a una serie di materiali
affermati ed emergenti che tendono ad immagazzinare meno calore e
possono avere temperature superficiali inferiori rispetto ai prodotti
convenzionali.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
12
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: definizione
I possibili meccanismi per la creazione di una pavimentazione fredda che
sono stati studiati fino ad oggi sono:
a) Incremento della riflettanza superficiale, che riduce la radiazione
solare assorbita dalla pavimentazione;
b) Incremento della permeabilità, che raffredda la pavimentazione
attraverso l’evaporazione dell’acqua (pavimentazioni drenanti);
c) Altre tecnologie, come pavimentazioni fluorescenti, pavimenti FV,
ombreggianti, etc.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
13
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: definizione
Gli sforzi della ricerca per aumentare la riflettanza dei materiali da
pavimentazione sono indirizzati in due diverse direzioni:
a) aumentare l'albedo delle pavimentazioni colorate o bianche di luce,
aumentando la loro riflettanza spettrale nella parte visibile della
radiazione solare, e
b) aumentare la riflettanza spettrale di materiali colorati nella parte di
spettro del vicino infrarosso.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
14
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde in asfalto
•
•
•
•
•
Aggregati bianchi o di colore chiaro (ghiaia, pietra bianca, etc.) oppure
pigmenti nel conglomerato bituminoso (SR ↑0.3) [NC]
Ricopertura bianca composta da uno strato spesso (> 10 cm) o sottile
(5 -10cm) di cemento su di una pavimentazione esistente
pavimentazione (di solito asfalto) che aumenta la riflettanza solare del
calcestruzzo (SR =0.3–0.45). [NC or M]
Chip seals: aggregati chiari pressati sullo strato di collegamento (binder)
in modo che la riflettanza solare della strada sia determinata dalla
riflettanza dell'aggregato colore chiaro. (SR ≅0.2) [M]
Microtappeti: un sottile strato di tenuta sulla pavimentazione d’asfalto
con materiali ad elevato albedo (SR >0.35) [M]
Rivestimenti colorati riflettenti l’infrarosso sulla pavimentazione di
asfalto (SR≅ 0.27-0.55) o sugli aggregati dell’asfalto (SR≅0.25-0.6) [NC
or M]
Note: M = manutenzione, NC = nuova costruzione
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
15
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde in calcestruzzo
•
•
•
Calcestruzzo convenzionale consistente nel miscelare cemento Portland,
acqua e aggregati portato a indurimento sufficiente per trasportare il
traffico (SR ≅0.4) o modificato usando cemento bianco invece di miscele
di cemento grigio (SR >0.7) [NC]
Pavimentazioni in calcestruzzo colorato con pigmenti riflettenti
nell’infrarosso, utilizzando pigmenti colorati ma più riflessivi rispetto agli
equivalenti convenzionali. [NC or M]
Ceneri volanti e scorie nella composizione del calcestruzzo
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
16
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Global Cool Cities Alliance, A Practical Guide to Cool
Roofs and Cool Pavements
Pavimentazioni fredde
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
17
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: riflettanza solare
⇒ ∆Τ=-7.5 °C
⇒ ∆Τ=15 ° C
Synnefa, A., Santamouris, V., Livada, I., 2006. A study of the thermal performance of reflective
coatings for the urban environment. Solar Energy Journal 80, 968–981.
Immaginei visibile (a) e agli infrarossi (b) di quattro piastrelle di cemento
dipinte con rivestimenti bianchi freddi (1 e 4), con un rivestimento nero (2)
ed una biancastra non verniciata (3). La differenza di riflettanza solare si
traduce in una significativa differenza nelle temperature superficiali
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
18
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: riflettanza solare
ε = 0,85-0,95
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
19
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Pavimentazioni fredde: riflettanza solare
ρλ [%]
Lunghezza d’onda λ [nm]
Riflettanza spettrale di un asfalto nero convenzionale (nuovo con SR =
0,06 e invecchiato con SR = 0,15) e di un asfalto con un rivestimento
freddo sottile (verde con SR = 0,27 e bianco con SR = 0.55), che può
essere applicato sopra l’esistente asfaltatura tal quale al fine di aumentare
la riflettanza solare. La riflessione visibile dell'asfalto freddo è
rispettivamente di 0,1 e 0,45
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
20
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
EPA & LBNL Heat island Group
Campi di applicazione
Una certa gamma di materiali è disponibili per esigenze di pavimentazione
standard. I criteri di pavimentazione possono variare notevolmente a
seconda dell'uso: autostrade, banchine stradali, strade comunali, parcheggi,
marciapiedi, parchi gioco, passi carrai, impalcati di ponti e piazze, tutti
hanno esigenze specifiche funzionalità che possono essere soddisfatte da
una serie di opzioni di pavimentazione fredda.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
21
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Benefici delle pavimentazioni fredde
•
Risparmio energetico e riduzione delle emissioni.
Le pavimentazioni fredde abbassano la
temperatura dell'aria esterna, permettendo ai
condizionatori d'aria di raffreddare gli edifici con
meno energia. Consentono inoltre di risparmiare
energia riducendo la necessità di illuminazione
stradale.
•
Miglior comfort e salute. Le pavimentazioni fredde
abbassano la temperatura della città, riducendo
malattie legate al caldo, rallentando la formazione
di smog, e rendendo più confortevole la vita
esterna, anche quella dei pedoni.
•
Più sicurezza dei conducenti. Le pavimentazioni
chiare riflettono meglio la luce dei lampioni e dei
fari del veicolo di notte, aumentando la visibilità
per il guidatore.
•
Durabilità…
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
22
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Benefici delle pavimentazioni fredde
•
Risparmio energetico e riduzione delle emissioni.
•
Miglior comfort e salute.
•
Più sicurezza dei conducenti.
•
Durabilità. Sono in corso ricerche per valutare la
durata e la longevità dei materiali per
pavimentazioni fredde secondo varie condizioni di
utilizzo. Pavimentazioni bituminose che rimangono
a temperature più basse hanno meno probabilità di
fessurare; l'invecchiamento ossidativo dello strato
di collegamento e le sollecitazioni da curling nelle
pavimentazioni in calcestruzzo sembrano essere
ridotti.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
23
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Benefici delle pavimentazioni fredde
•
Miglioramento della qualità dell'aria. Diminuendo temperature dell'aria
urbana, i pavimenti freddi possono rallentare le reazioni chimiche
nell’atmosfera che creano smog.
•
Costi di illuminazione stradale ridotti. Le pavimentazioni fredde possono
aumentare la riflettanza delle strade, riducendo l'energia elettrica
necessaria per l'illuminazione stradale di notte.
•
Ridotte emissioni delle centrali elettriche. Grazie al risparmio energetico
sull'illuminazione stradale e sull'uso di A/C negli edifici circostanti, le
pavimentazioni fredde possono ridurre l'emissione di gas serra e di altri
inquinanti atmosferici nelle centrali elettriche.
•
Migliore qualità delle acque. Temperature più elevate della
pavimentazione possono riscaldare le acque piovane che defluiscono e
questo può influenzare il metabolismo e la riproduzione delle specie
acquatiche. Le temperature superficiali inferiori delle pavimentazioni
fredde mantengono fresca la temperatura delle acque di deflusso e si
diminuisce il danno ai bacini idrici locali.
• Rallentamento
dei cambiamenti
A02p2/S05p1.
Cool pavements
climatici…
PES. MOD. 06
del 14/11/08
24
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Benefici delle pavimentazioni fredde
•
Miglioramento della qualità dell'aria
•
Costi di illuminazione stradale ridotti..
•
Ridotte emissioni delle centrali elettriche.
•
Migliore qualità delle acque.
•
Rallentamento dei cambiamenti climatici. Le pavimentazioni fredde
diminuiscono il calore assorbito sulla superficie della Terra, e quindi
sono in grado di ridurre le temperature in superficie. Questa
diminuzione delle temperature di superficie può allontanare
temporaneamente il riscaldamento causato dai gas serra.
Un incremento di albedo delle pavimentazioni urbane a livello mondiale di
0,15 potrebbe permettere una riduzione delle emissioni equivalenti di
CO2 di 20 Gt!
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
25
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Limiti delle pavimentazioni fredde
•
Aumentare la riflettanza solare delle pavimentazioni può causare problemi
di abbagliamento, quando si guida per esempio, riducendo anche la
visibilità della striscia bianca; o potrebbe non essere appropriato in luoghi
dove le persone rischiano di essere esposte al disagio della radiazione
riflessa per lunghi periodi.
•
L'impiego diffuso di pavimentazioni ad elevato albedo può causare sugli
edifici circostanti (ad esempio in canyon urbani) un assorbimento di parte
della radiazione solare riflessa e aumentando le temperature di parete.
•
La maggior parte delle pavimentazioni ad elevato albedo (prevalentemente
di colore chiaro) tendono a scurire durante la loro vita a causa
dell’accumulo di sporcizia. Una strategia per la pulizia / rinnovare l'albedo
della superficie deve essere considerato.
•
La durata necessaria della superficie deve essere preso in considerazione
quando si sceglie una tecnologia di pavimentazione fredda. Alcuni
trattamenti superficiali di colore chiaro (chip seals) non sono abbastanza
resistenti per essere applicabili a strade con traffico pesante o persino
moderato.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
26
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Caso studio
Per evitare il potenziale abbagliamento o problemi di disagio per
pavimentazioni molto chiare, sono state sviluppate pavimentazioni fredde
colorate che assorbono nella parte visibile dello spettro per risultare scuri in
apparenza ma presentare alta riflessione nella parte NIR dello spettro
solare.
•
•
Materiali asfaltici freddi sono stati
sviluppati e testati. I materiali possono
sostituire materiali asfaltici
convenzionali e sono disponibili in
diversi colori.
I campioni di asfalto con strato sottile
di colore sono stati sviluppati
miscelando un legante elastomerico
(incolore) e aggiungendo pigmenti
speciali e aggregati di formati e colori
speciali
Synnefa, A., Karlessi, T., Gaitani, N., Santamouris, M., Papakatsikas, D.N. Assimakopoulos., 2011. Experimental testing of cool colored
thin layer asphalt and estimation of its potential to improve the urban microclimate. Building and Environment 46 (1), 38–44.
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
27
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Caso studio
•
A02p2/S05p1. Cool pavements
I materiali asfaltici freddi
presentano una riflettività
molto più elevata ed anche
una temperatura
superficiale inferiore
rispetto ai materiali
bituminosi convenzionali.
PES. MOD. 06
del 14/11/08
28
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Caso studio
1
4
2
3
5
6
Immagini visibile ed infrarosso dei campioni testati: 1. biancastro, 2. giallo,
3. verde, 4. nero (asfalto convenzionale), 5. beige, 6. rosso
A02p2/S05p1. Cool pavements
PES. MOD. 06
del 14/11/08
29
Project MAIN – “MAteriaux INtelligents’”
Caso studio
CFD simulation:
∆Tamb ≅ 5°C
(periodo estivo, 1.5 m)
SR =0.04
A02p2/S05p1. Cool pavements
SR =0.55
PES. MOD. 06
del 14/11/08
30