Energia e Metropoli - Termodinamica e Città

Paolo Chiastra, Commissione Energia - Ordine Ingegneri Milano - Ordine Ingegneri Milano

- Perché la città? - Termodinamica della città - Climatologia urbana - Benessere in città

Solo il 17% delle terre emerse è privo di una presenza umana stanziale. Si tratta delle zone inabitabili desertiche o ricoperte da ghiacci. Il calcolo presuppone le seguenti condizioni al contorno: mancanza di aree urbane, di terreni agricoli o pascoli, di strade nel raggio di 15 km, di luci notturne visibili da satelliti e, comunque, con una densità abitativa inferiore a un abitante per km2.

In pratica viviamo su un pianeta addomesticato dove attualmente il 55% della popolazione risiede in città e sobborghi con una tendenza all'aumento che forse si risolverà in quella rete di maglie abitate chiamata Ecumenopoli [1], visibile nel riquadro in Figura 1, in alto a destra.

Dalla stessa figura che riporta la densità abitativa della Svizzera e della Pianura Padana si percepisce la tendenza all'aggregazione lungo assi preferenziali che caratterizzano le cosiddette Metropoli Policentriche Lineari, o LiMeS (Linear Metropolitan System), sottoinsieme delle NeMESys (Neighbouring Mega Ecological System) [2].

Gli ambienti urbani sono "delizia" per molti e "croce" per altri. La percezione è in parte soggettiva ma, in taluni casi, il livello di pressione degli insediamenti antropici (tasso di artificializzazione) [3] è tale da risultare condizione generalizzata e oggettiva. Le città nascono e talvolta tendono a venir abbandonate dai residenti (Venezia ad esempio) con successiva morte ma, per lo più, evolvono con una crescita non sempre monotonica.

Alcune discipline urbanistiche si occupano non tanto del singolo edificio o quartiere ma di come sia possibile guidare la trasformazione dei vari aspetti cittadini per favorire il benessere degli abitanti e di chi ne fruisce [4].

Nella sostanza, si vorrebbe affrontare sotto una visione olistica lo sviluppo ecocompatibile, il risparmio energetico, il ciclo dei rifiuti, quello dell'energia, la mobilità, l'ambiente e la bellezza architettonica.

Ma la questione non è semplice perché, al di là delle risorse da investire, tange un organismo vivente che sottostà a impulsi eterogenei non sempre controllabili: economici, finanziari, speculativi, amministrativi, e a vincoli preesistenti di vario genere quali la posizione geografica, l'orografia e le infrastrutture.

Termodinamica della città

Un agglomerato urbano rappresenta un sistema molto complesso che può essere analizzato in vari modi e da punti di vista diversi. Da quello termodinamico, che più ci è vicino, si tratta di un sistema reale (non ideale), delimitato da contorni rigidi (nel breve periodo) ma permeabili alla massa e diatermici, non solo in termini di scambi di calore ma più in generale di energia sotto varie forme.

In particolare, giornalmente, si hanno per le masse, flussi in entrata e uscita di solidi, liquidi e aeriformi quali:

- persone, veicoli, materiali e merci, rifiuti;
- acqua di falda, corsi d'acqua, acqua meteorica, acqua potabile, fognature;
- masse d'aria e vapore acqueo.

Per quanto riguarda l'energia:

- radiazione solare e relativi fenomeni associati di conduzione, convezione e irraggiamento;
- energia termica prodotta in loco o in transito, veicolata dalle masse di cui sopra;
- energia elettrica;
- accumuli in crescita o diminuzione.

È possibile ricondurre i flussi a un bilancio energetico complessivo basato su una situazione giornaliera stazionaria, associando anche alle masse il dovuto apporto energetico. Lo schema a blocchi di Figura 2 illustra quanto sopra, sintetizzando i componenti di questo "metabolismo" in realtà assai più articolato.

Ovviamente, ogni città ha la sua individualità e il suo proprio bilancio, associato alla morfologia e all'anima preponderante industriale piuttosto che commerciale.

Oltre alla generazione di calore propria e alle condizioni eoliche va tenuto in conto lo scambio termico tra la zona urbanizzata (residenziale, industriale, commerciale) e la campagna che l'attornia, determinato dal modo con cui la radiazione solare viene assorbita e trasmessa durante il giorno dai vari elementi presenti e il differente comportamento trasmissivo degli stessi elementi durante le ore notturne [6].

In particolare, nelle aree verdi si ha una maggiore penetrazione delle acque nel terreno, traspirazione delle piante e evaporazione dal suolo e una minor quantità di calore assorbito e riemesso dal suolo. Per contro, nelle aree cementificate si hanno le condizioni inverse con il costruito che assorbe molto calore.

Le varie frecce in Figura 3 rappresentano i contributi di calore Q in gioco, con i seguenti significati:

- SU, Radiazione solare netta (incidente - riflessa)
- IR, Radiazione infrarossa netta (atmosferica - riflessa)
- AN, Calore antropico generato civile, industriale, trasporti
- CO, Calore di convezione
- LE, Calore latente del vapore d'acqua
- ST, Energia immagazzinata in edifici-suolo
- AV, Energia di avvezione
- PH, Fotosintesi clorofilliana, che non è stata considerata nei conteggi in quanto dato poco significativo a livello urbano.

Il bilancio si ottiene dalla formula a contributi algebrici netti SU+IR+AN = CO+LE+ST+AV e varia tra giorno e notte.

Se il calcolo relativo alle aree rurali (classi di Rugosità C e D) è più semplice, l'analisi dell'apporto all'interno dell'urbanizzato è complesso in quanto influenzato dai diversi valori di albedo (in Fig. 4, a sinistra) dovuto ai vari tipi di manufatti esistenti, dal potere convettivo delle varie superfici perimetrali e dai vari effetti canyon (riflessione), jet e vortici causati dall'interazione del vento con i corpi a sviluppo verticale e non (Fig. 4, a destra).

È evidente che, rispetto all'uniformità delle campagne circostanti, la superficie urbanizzata rappresenta una sorgente energetica puntiforme (hot spot) che assorbe e emette in quantità energia a bassa temperatura, comunque in grado di alterare in modo determinante la situazione ambientale preesistente all'insediamento.

Senza entrare nei particolari, peraltro materia di specialisti, e solo per dare un'idea delle grandezze antropiche in gioco è possibile riassumere l'apporto AN, dalla somma di semplici contributi giornalieri dovuti a:

- Consumo da fonti primarie (gas, petrolio inteso come gasolio da riscaldamento e carburanti per autoveicoli, altri) e di Energia elettrica (EnEl), trascurando gli eventuali Accumuli che nell'anno tendono a compensarsi;

- Metabolismo della popolazione, stabilito in 2.400 kcal quello medio singolo giornaliero, equivalente a circa 10 MJ (1 kcal = 4184 J) ovvero 2,77 kWh (1 kWh = 3,6 MJ).

In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo, che procede con l'analisi di Milano e con i paragrafi su Climatologia urbana e Benessere in città.