Un innovativo Sistema di Copertura Verde Idroponica per applicazione edilizia. Performance e prototipazione

The preservation of our planet has recently become a priority due to the damage caused by the detrimental development model that modern civilization has perpetrated for far too long causing, on the one hand, the depletion of primary resources and, on the other hand, severe environmental pollution that is leading toward rapid and irreversible climate changes. Amongst the top causes that trigger the global warming phenomenon is the urbanization process, that affects the earth’s surface ability of fulfilling tasks such as climate regulation, air and water quality management and food provision. Green infrastructures (GIs) arise from the implementation of any kind of vegetation in buildings and construction, with the aim to restore those functions originally carried out by green areas, providing environmental, economic and social benefits. Since 40% to 50% of urban surface is covered by roofs, using green roofing systems for integrating vegetation into metropolitan areas is considered one of the most effective strategies in the pursue of environmental risks mitigation. The challenge is to design a system that satisfies as many requirements as possible at once, thus research is still needed to improve some aspects and to maximize their overall performance. Based on such premises, the research presented in this thesis aimed at defining a system focusing on what are deemed to be the aspects that play a leading role in the choice to implement green roofs. A hydroponic green roof system (HGRS) was designed, based on the integration of soilless cultivation methods in green coverings. The purpose is to define a system that represents a viable solution as passive insulation for buildings, both for new construction and as a retrofit strategy for energy renovation of existing buildings. This system aims at guaranteeing comparable or superior thermal benefits than those provided by traditional green roofs, also offering fast and simple manufacturing and installation, as well as ease of operation and disassembly, which contributes to achieve lower environmental impacts at all life cycle stages. Due to the simplicity and versatility of hydroponic cultivations, these systems add urban agriculture (UA) potential to HGRS benefits, offering further environmental benefits in terms of efficient crop production with less resource consumption and transportation needed to cater food supply from extra-urban areas. Three experimental campaigns were carried out on site (in Catania and in Barcelona) to measure the temperature reduction on the roof slab obtained through the use of HGRS. The iterative design process, based on experimental measurements and thermophysical characterization, led to the prototyping of a prefabricated modular HGRS.

La preservazione del nostro pianeta è diventata negli ultimi tempi una priorità a causa dei danni provocati dal dannoso modello di sviluppo che la civiltà moderna perpetra da troppo tempo provocando, da un lato, l’esaurimento delle risorse primarie e, dall’altro, un grave inquinamento ambientale che sta portando a cambiamenti climatici rapidi e irreversibili. Tra le principali cause che innescano il fenomeno del riscaldamento globale c’è il processo di urbanizzazione, che influisce sulla capacità della superficie terrestre di adempiere a compiti quali la regolazione del clima, la gestione della qualità dell’aria e dell’acqua e la fornitura di cibo. Le infrastrutture verdi (GI) nascono dall'implementazione di qualsiasi tipo di vegetazione negli edifici e nelle costruzioni, con l'obiettivo di ripristinare quelle funzioni originariamente svolte dalle aree verdi, apportando benefici ambientali, economici e sociali. Poiché dal 40% al 50% della superficie urbana è coperta da tetti, l’utilizzo di sistemi di copertura verde per l’integrazione della vegetazione nelle aree metropolitane è considerata una delle strategie più efficaci nel perseguire la mitigazione dei rischi ambientali. La sfida è progettare un sistema che soddisfi il maggior numero possibile di requisiti contestualmente, quindi sono ancora necessarie ricerche per migliorare alcuni aspetti e massimizzarne le prestazioni complessive. Sulla base di tali premesse, la ricerca presentata in questa tesi ha mirato a definire un sistema focalizzato su quelli che sono ritenuti gli aspetti che giocano un ruolo guida nella scelta di realizzare i tetti verdi. È stato progettato un sistema di tetto verde idroponico (HGRS), basato sull'integrazione di metodi di coltivazione fuori suolo nelle coperture verdi. Lo scopo è quello di definire un sistema che rappresenti una valida soluzione come isolamento passivo per gli edifici, sia di nuova costruzione che come strategia di retrofit per la riqualificazione energetica di edifici esistenti. Questo sistema mira a garantire benefici termici paragonabili o superiori rispetto a quelli forniti dai tradizionali tetti verdi, offrendo inoltre una produzione e installazione rapida e semplice, nonché facilità di funzionamento e smontaggio, che contribuisce a ottenere minori impatti ambientali in tutte le fasi del ciclo di vita. Grazie alla semplicità e alla versatilità delle coltivazioni idroponiche, questi sistemi aggiungono il potenziale dell’agricoltura urbana (UA) ai vantaggi dell’HGRS, offrendo ulteriori benefici ambientali in termini di produzione agricola efficiente con un minor consumo di risorse e trasporti necessari per soddisfare l’approvvigionamento alimentare dalle aree extraurbane. Sono state effettuate tre campagne sperimentali in sito (a Catania e a Barcellona) per misurare l'abbattimento termico sul solaio di copertura ottenuto mediante l'utilizzo di HGRS. Il processo di progettazione iterativo, basato su misurazioni sperimentali e caratterizzazione termofisica, ha portato alla prototipazione di un HGRS modulare prefabbricato.