I componenti edilizi e il «troppo risparmio energetico»

La presenza degli organismi biologici, quali alghe o cianobatteri, sui componenti edilizi è stata recentemente acuita dal modo in cui in alcuni casi è stata data risposta all’esigenza di contenimento dei consumi energetici dettata dalle recenti direttive europee

Sempre più spesso capita di osservare componenti edi-lizi, in costruzioni anche molto recenti, «aggrediti» da organismi biologici, quali alghe o cianobatteri. Sebbene tali organismi «vivano» da moltissimo tempo sui com-ponenti edilizi, la loro presenza è stata recentemente acuita dal modo in cui in alcuni casi abbiamo dato risposta all’esigenza di contenimento dei consumi energetici dettata dalle recenti direttive europee (SAVE e NZEB).
L’aver cercato di risolvere le problematiche di contenimento dei consumi energetici agendo sull’introduzione di fortissimi spessori di isolante, ma cercando al contempo di contenere lo spessore complessivo della parete, ha determinato l’intro-duzione di componenti edilizi costituiti non più, come nel passato, da elementi massivi costituenti la maggior parte della parete associati a isolanti termici, bensì da isolanti termici associati a «pelli» di limitato spessore, soluzioni che con maggiore difficoltà reagiscono alle esigenze di comportamento dina-mico dell’involucro.
Tale nuova configurazione costruttiva ha causato un drastico cambiamento nel comportamento dei componenti edilizi di parete e di copertura determinando, per le superfici esterne, condizioni termiche estremizzate (uno strato sottile sopra un isolante si riscalda e si raffredda molto velocemente e può raggiungere condizioni «estreme») e maggiori accumuli d’acqua (l’isolante tende a inibire flussi di acqua e vapore deter-minando un sovraccarico sulle «pelli»). A riguardo si veda la figura 1. Pertanto sia le condizioni termiche che igrometriche conseguenti alla ricerca della massima efficienza energetica rendono oggi più facile e più veloce l’attecchimento di molti organismi biologici con conseguenze sia per la salute (come noto le spore di alcune muffe hanno effetti importanti sulla salute dell’uomo) che per la durata dei componenti edilizi.
Di seguito si riporta il primo di tre articoli volti a chiarire: (1) le condizioni che determinano la crescita di questi organismi; (2) l’effetto dato dalla recente introduzione di normative per il contenimento dei consumi energetici; (3) le possibili soluzioni da adottare in termini di progettazione dei componenti edilizi o di loro parti.

1. Tipico degrado algale su facciata con ETICS (External thermal insulation composite systems) – (Germania).

Tabella 1: UR% critica per diversi materiali.

Organismi biologici e componenti edilizi
Gli organismi che possono attecchire e proliferare in ambiente esterno su componenti edilizi sono riconducibili a due prin-cipali categorie: microalghe e cianobatteri. Le microalghe e i cianobatteri (impropriamente chiamati alghe azzurre, alghe verdi-azzurre o Cianoficee) sono un Phylum di batteri fotosintetici (1). Sono organismi unicellulari o pluricellulari che possono essere eucarioti (alghe verdi) o procarioti (cia-nobatteri). Le alghe in quanto organismi autotrofi, attraverso il processo di fotosintesi clorofilliana, convertono l’energia luminosa in energia chimicaa riuscendo a sintetizzare composti inorganici come l’anidride carbonica, l’acqua e alcuni elementi ottenendo sostanze organiche che ne garantiscono la sopravvivenza nel lungo periodo (2). Le alghe sono particolarmente resistenti al vento e alle precipitazioni, e sono particolarmente tolleranti all’essiccamento (anidrobiosi), cosa che permette loro di sopravvivere anche se fortemente disidratate (3) riattivando i processi biologici quando l’acqua (4) è di nuovo disponibile. La crescita di specie algali è favorita dalla combinazione di una serie di fattori abiotici e biotici: nutrimento proveniente dal substrato; tipologia di organismi presenti; umidità e altri fattori ambientali (1). Il fattore abiotico più importante per la proliferazione microbica è l’umidità (5), ma se una qualsiasi di queste tre macro condizioni viene a mancare, difficilmente avviene la crescita vegetativa (fig. 2).
Classificare le alghe è molto complesso. Dusbosc et al.(6) ha suddiviso le alghe in sei rami (per contenuto di cellule e per colorazione). I rami si dividono in classi e a loro volta in ordini, generi e specie. Le due classi osservate più frequentemente sulle pareti, sono i cianobatteri e le microalghe. I cianobatteri sono chiamati impropriamente alghe blu – verdi per via del colore cellulare.


2. Contaminazione algale su una parete per accumulo di acqua in prossimità dell’innesto parete-tettoia. Il degrado raggiunge un’altezza di 1,60 m.

Il fatto che questi organismi riescano a colonizzare facilmente materiali edili dipende da una serie di aspetti: la presenza di clorofilla e i pigmenti di colore blu e rosso determinano reattività vitale a bassa intensità luminosa; possono fissare l’azoto; sono caratterizzati da sostanze impregnanti colorate che preservano sia le membrane cellulari sia la mucillagine presente all’interno da eventuali radiazioni solari eccessive. Inoltre, l’igroscopicità dell’involucro cellulare (contenente mucillagine) permette di trattenere l’acqua e sali in essa disciolti, favorendo lo stato di la-tenza biologico in situazioni di siccità prolungata. Le microalghe sono più complesse dei cianobatteri, contengono cloroplasti riconoscibili grazie a una colorazione verde vivo che li delimita. A differenza dei cianobatteri, le microalghe sono prive di pigmenti accessori e di mucillagine che li protegge dalla disidratazione, pertanto possono sopravvivere solo in ambienti dove l’umidità è costante, inoltre hanno bisogno di un’illuminazione costante e non troppo intensa. Se sono presenti le condizioni favorevoli, le microalghe crescono anche molto velocemente sporcando gli elementi murari con una classica colorazione verde. Infine le microalghe possono talvolta affrontare uno stato di latenza se supportate dalla presenza di cianobatteri.

3. Bilancio energetico giornaliero di una parete tipo.

4. È evidente la più veloce formazione di alghe su superfici fortemente isolate.

5. Contaminazione biologica da parte di microalghe su una facciata leggera.

Le cause della presenza di micro-alghe e cianobatteri sulle superfici edilizie
Le cause che determinano la presenza di micro-alghe e cianobatteri sulle superfici sono molteplici, ma tra que-ste la presenza di umidità (non avendo radici questi orga-nismi assorbono l’acqua attraverso la parete cellulare per osmosi) e un supporto scabroso (in grado di ospitarle) sono le due fondamentali. Le microalghe si sviluppano a una UR%=70-80%, mentre i cianobatteri a una UR% prossima al 100% (7), inoltre le prime necessitano di una temperatura compresa tra 15-50°C (8). Alcuni autori indicano 20-25°C come il range di temperatura ideale (7). Le alghe sfruttano per la fotosintesi, l’acqua, il carbonio e altri elementi che possono provenire del ruscellamento delle acque per eventi piovosi, da fenomeni di condensazione superficiale o a causa dell’inquinamento.
È dimostrato che, in caso di eventi piovosi, la quantità d’ac-qua resa disponibile durante e dopo un evento piovoso, e quindi la proliferazione algale, dipende fondamentalmente dal substrato, e in particolare dalla sua conformazione geometrica nonché dalla porosità e rugosità che lo caratterizzano, in quanto questeproprietà concorrono a trattenere l’acqua (1) oltre che fornire nutrimento alle alghe (9). Il dilavamento per azione della pioggia contribuisce a sostituire le cellule vecchie con quelle nuove e favorisce l’estensione delle macchie di biofilm ad altre partizioni costruttive non contaminate.
La pioggia contribuisce a fornire spore fungine e alghe alle pareti e consente di raggiungere livelli di UR prossimi al 100%. Una volta che le spore raggiungono le superfici, i picchi d’umidità raggiunti con la pioggia ne facilitano la sporulazione e il processo di crescita Kunzel (10).
Anche l’acqua resa disponibile per condensazione super-ficiale contribuisce allo sviluppo di questi organismi. Ciò si verifica in particolare a seguito dell’abbassamento delle temperature superficiali degli elementi costruttivi in fase notturna rispetto alla temperatura dell’aria («undercooling») Kunzel (10). Blaich (11) evidenzia che il fattore che agisce sulla superficie esterna abbassandone la temperatura è l’e-missione delle onde lunghe, dipendente dall’emissività delle superfici e dalla loro temperatura.
Questo fenomeno è massimo nelle notti limpide (fig. 3). Lo studioso sottolinea che, durante le stagioni fredde (soprat-tutto sulle pareti esposte a nord e nord-ovest), si possono raggiungere condizioni di condensa che permangono sulle superfici per 15 ore. Tale fenomeno è schematicamente rap-presentato in figura 5 ed è particolarmente significativo per edifici fortemente isolati (fig. 4). Studi condotti in Germania (1) dimostrano che sistemi fortemente isolati causano essi stessi la formazione di alghe sulle superfici esterne (fig. 5). Il degrado dovuto a specie algali si manifesta principalmente sulle pareti esposte a nord e nord-ovest (1) che non sono quasi mai raggiunte da radiazione solare nell’arco della gior-nata. Questa, infatti, può danneggiare i pigmenti fotosintetici delle alghe (8), (1). Anche la stagione è determinante per la formazione di al-ghe sulla facciata, infatti durante la stagione calda la superficie esterna tende ad asciugarsi più velocemente contrastando la nascita degli organismi. Qualora però la loro genesi sia av-venuta in periodi più favorevoli, la stagione è decisiva per la sopravvivenza degli organismi: in estate la temperatura su-perficiale esterna degli edifici può raggiungere temperature prossime a 60°C causando la morte delle cellule algali (8); mentre in inverno temperature inferiori ai 15°C inibiscono il loro sviluppo.
Sedlbauer, Kunzel et al. (12) sostengono che i periodi stagionali che facilitano la crescita e lo sviluppo delle alghe sono l’autunno e la primavera (13). M. Kehrer, T. Schmidt (14) confermano in un altro studio che le pareti esterne «leggere» aumentano il rischio di formazione di condensa sul lato esterno della parete. Aelen e Henriques(15) hanno effettuato studi relativi a pareti a cassetta e pareti massive non isolate giungendo a risultati analoghi. Johansson (3), attraverso indagini condotte a Holviken (Svezia) su edifici di nuova costruzione realizzati con ETICS, rileva evidenti fenomeni di contaminazione da parte di microalghe.
Sedlbauer et al. (16), (17), (18), (19), sulla base di simulazioni termoigrometriche di tipo dinamico, conferma la cattiva performance di sistemi leggeri e quantifica le ore in cui le pareti esterne vanno in undercooling (fig. 6). Sedlbauer et al. concludono che le pareti massive in muratura (favorite dall’inerzia termica) presentano in assoluto il miglior comportamento termo-igrometrico, perciò è consigliabile l’utilizzo della massa nelle soluzioni di parete. Studi sono stati condotti anche in merito all’influenza che biocidi o additivi auto-pulenti (es. TiO2) all’interno delle pitture possono avere nel ridurre questi fenomeni. Helmuth Venzmer et al.(20) hanno effettuato studi a lungo termine dimostrando che occorrono almeno 18 mesi prima di otte-nere alghe visibili a occhio nudo. Tuttavia si evidenzia come la crescita continui a essere fortemente dipendente dalla tipologia di supporto. I materiali di natura organica sono maggiormente esposti all'attacco biologico. Barberousse et al. (9), hanno valutato la suscettibilità alla crescita di microalghe e cianobatteri su diversi rivestimenti esterni di facciate di tipo ETICS. I risultati finali evidenziano che porosità e rugosità sono i parametri che facilitano la crescita di alghe sui materiali.
Ulteriori ricerche sono state condotte con lo scopo di com-prendere i danni che possono creare tali organismi biologici. Kunzel (21), interessandosi alle performance a lungo termine di sistemi d’isolamento a cappotto termico, raccoglie e analizza i risultati ottenuti da studi condotti su un cam-pione di ottantacinque edifici (tutti compresi tra Austria e Germania e con vita utile che va da trentacinque e diciotto anni). Kunzel sostiene che il degrado dovuto alle alghe è di natura estetica e si manifesta con la scoloritura delle facciate e con la colorazione verde-grigio tipica di questi organismi (fig. 7). R. Miniotaite et al.(22) conducono delle indagini sulla durabilità delle pitture e confrontano i risultati otte-nuti con alcune caratteristiche delle pitture (assorbimento d’acqua e la permeabilità al vapore) evidenziando come i risultati peggiori siano stati ottenuti pitture con alta resi-stenza alla diffusione del vapore e alta penetrazione di acqua.

6. Confronto tra i profili termici superficiali di una parete leggera e massiva non isolata e la temperatura di rugiada.

7. Analisi storica dei difetti rilevati su ETICS. Osservando il grafico si ha: 1 (difetti non visibili), 2 (piccole lesioni nelle zone d’angolo e vicino alle finestre), 3 (maggiori difetti: grandi distaccamenti e delaminazioni), A (nuove facciate), Z (edifici obsoleti risanati con ETICS s=4 cm).

Conclusioni
Le ricerche condotte in ambito nazionale e internazionale consentono di valutare la suscettibilità allo sviluppo di specie algali e di cianobatteri sulle superfici esterne delle facciate. Le cause che enfatizzano queste problematiche sono molte ma in prima analisi la letteratura evidenzia come lo sviluppo di microalghe e cianobatteri è fortemente dipendente dalla tipologia di parete. Le soluzioni costruttive leggere sono più suscettibili allo sviluppo algale rispetto alle pareti mas-sive, perché possiedono minore inerzia termica e minore capacità di accumulo igrometrico. Anche qui però hanno influenza le caratteristiche dello strato di finitura esterno e cioè del tipo di substrato in termini di porosità, capacità di assorbimento d’acqua, classe di rugosità.
Nel prossimo articolo si riporteranno i risultati di studi di tipo analitico utili a evidenziare gli effetti che le attuali normative per il contenimento dei consumi energetici stanno avendo sulla proliferazione di questi microorganismi.

Articolo tratto da Costruire in Laterizio n. 154