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Le basi del bilancio energetico del sistema edificio-impianto termicoMario Butera

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Mario Butera – Architetture Sostenibili - Palermo

QUADRO GENERALE

Il Rapporto 2007 dell’IPCC (Intergovernamental Panel on Climate Change)

• Entro la fine del secolo le temperature potranno aumentare mediamente da 1,8°C a 4°C, con possibilità , nell’ipotesi più pessimistica, di un incremento fino a 6,4°C; • l’Europa entro il 2050 potrebbe perdere buona parte dei suoi ghiacciai;• entro il 2100 il livello delle acque si innalzerà da un minimo di 19 a un massimo di 58 centimetri;• entro il 2100 il 30% delle specie animali e vegetali rischia l’estinzione;• in Africa, entro il 2020, fra i 75 e i 250 milioni di persone saranno colpite da una grave penuria di acqua;• nell’Amazzonia orientale, la foresta tropicale sarà gradualmente sostituita dalla savana;• nel nord America aumenterà il rischio di incendi nelle foreste e si registreranno temperature torride nelle città.

Secondo il Rapporto 2007 dell’IPCC la concentrazione di CO2 è passata negli ultimi 200 anni da 280 al livello record di 380 ppm nel 2006, dato che rappresenta un incremento di oltre il 35% nonché il livello più alto degli ultimi 650 anni.

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Consumo di energia imputabile al settore residenziale in Europa (EUROSTAT 2002)

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Per bilancio energetico si intende l’analisi quantitativa dei flussi di energia all’interno di un sistema definito

BILANCIO ENERGETICO - Definizione

Il B.E. esplica una funzione conoscitiva evidenziando “quanta” e che “tipo” di energia è stata consumata in un dato periodo di tempo (ad esempio un anno) e “come” essa è stata “prodotta”, “reperita” sui mercati, “trasformata” e “consumata”

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Per fare il bilancio energetico di un edificio bisogna ricorrere alla fisica ed al suo linguaggio.

Il mondo reale ed il mondo fisico risultano essere per molti la stessa cosa. In realtà il mondo fisico si discosta dal mondo reale. Esso non è che un modo attraverso il quale si cerca di spiegare i fenomeni che ci circondano mediante l’uso della matematica, delle sue leggi e delle sue relazioni

In particolare, una specifica branca della fisica si occupa proprio delle trasformazioni che hanno a che fare con l’energia termica: la termodinamica .Le sue leggi costituiscono la base di partenza per interpretare i fenomeni che ci interessano. Le astrazioni del modello scientifico ci permetteranno di ottenere il nostro obiettivo.

L’edificio va quindi considerato come un sistema comp lesso che interagisce con l’ambiente esterno mediante flu ssi di materia ed energia.

L’EDIFICIO

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Le principali categorie di interazione che possiamo considerare sono le interazioni luminose, acustiche e termiche. In questi caso ci limiteremo a studiare le interazioni termo-igrometriche che condizionano e determinano il micro-clima all’interno dell’edificio.

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Abbiamo affermato che attraverso un’astrazione concettualeconsideriamo l’edificio come un sistema termodinamico che scambia massa ed energia con l’ambiente esterno. Se il concetto di massa èsperimentalmente chiaro, come definire l’ energia ?

L’ENERGIA

Il dizionario della lingua italiana DeVoto-Oli la d efinisce così: attitudine a compiere lavoro che un corpo o un sistema possiede in conseg uenza di determinate caratteristiche, o che cede o acquista al cambiare di queste ; se posseduta da un sistema può essere dovuta al movimento (energia cinetica), alla posizione (energia potenziale o di posizione, secondo le forz e in gioco, gravitazionale, elastica, elettrostatica, magnetostatica), all ′azione fra correnti elettriche (energia mutua), al passaggio di queste (energia elettrica), alle forze che uniscono le particelle subatomiche (energia di legame); se ceduta o acquis tata può essere legata ad agitazione termica (energia termica o calore), a re azioni chimiche (energia chimica), a reazioni nucleari (energia nucleare o energia ato mica), a radiazioni elettromagnetiche (energia raggiante), a suono (ene rgia sonora)

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Nessun organismo o macchina “crea” o “consuma” energia: tutti, per funzionare, trasformano o trasferiscono certe forme di in energia in altre forme di energia.

Principio di conservazione dell’energia totale: in un sistema che non scambi energia con l’esterno la quantitàtotale di energia (la somma cioè delle quantità di energia presenti nel sistema sotto diverse forme) si conserva.

Fonte primaria Forma di energia disponibile Processo di trasformazione diretta o trasferimento di energia

Petrolio

Carbone Energia Chimica Combustione e fermentazione

Gas naturale

Biomasse

Corsi e salti d’acqua

Maree Energia meccanica Variazione di energia potenziale

Vento

Calore geotermico Energia termica Scambio termico

Sole Energia raggiante Irraggiamento

Nuclei atomici Energia nucleare Fissione o fusione

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Nello studio di un fenomeno è importante saper indivi duare quali siano le caratteristiche essenziali e quali invece g li aspetti accidentali. L’informazione relativa ad un fenomeno d eve risultare completa e deve essere quantitativa.

UNITÀ DI MISURA

Le grandezze fisiche sono parametri quantitativi: a ciascuna di esse si deve assegnare un valore numerico espresso in una sua propria unità di misura.

Il metodo scientifico è basato sulla misurazione, ovv ero sul modo di determinare il valore numerico delle grandezze di interes seLe unità di misura sono delle grandezze fisiche prese come campioni di riferimento ed usate per esprimere le altre grandezze

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Nel 1875 fu istituito a Parigi un Ufficio Internazio nale Pesi e Misure

Nell’ottobre del 1960 la Commissione ha approvato il Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI)

Il sistema SI è basato su sette grandezze fondamentali e due grandezze supplementari ed è un sistema assoluto. Le unità derivate sono ricavate in modo coerente dalle unità fondamentali.

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L’energia è l’attitudine a compiere lavoro

F [N] = m · a [kg · m/s]La forza di 1 Newton (simbolo N) è quella forza che determina una accelerazione unitaria (1 m/s) quando è applicata a una massa unitaria (1 kg)

L [J] = F · d [N · m]

Il lavoro fatto da una forza F per spostare di uno spazio d un oggetto (ovvero l’energia occorrente per spostarlo) si misura in Joule (simbolo J)

Per mezzo di un esperimento Joule determinò un valore dell'equivalente meccanico del calore pari a 4.18 J/cal , valore di straordinaria precisione per i tempi.

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Tabella : Unita’ di misura per l’energia e fattori di conversione

Unita di misura e simbolo

cal J kWh TEP TEC BTU eV

caloria

(cal)

1 4,18 1,16. 10-6 1. 10-10 1,4. 10-10 3,97. 10-3 2,6. 1019

joule

(J)

0,239 1 2,8. 10-7 2,3. 1011 3,42. 10-11 9,5. 10-4 6,2. 1016

kilowattora

(kWh)

8,6. 105 3,6. 106 1 8,3. 10-5 1,23. 10-4 3,41. 103 2,25. 1025

Tonnellate equivalenti di petrolio

(TEP)

1,03. 1010 4,35. 1010 1,2. 104 1 1,49 3,97. 107 2,7. 10-27

Tonnellate equivalenti di carbone

(TEC)

6,95. 109 2,92. 1010 8,08. 103 0,67 1 2,7. 107 1,8. 1029

British Termal Unit

(BTU)

2,53. 102 1,055. 103 2,93. 10–4 2,52. 10-8 3,7. 10–11 1 6,6. 1021

elettronVolt

(eV)

3,8. 10–20 1,6. 10–19 4,5. 10-26 3,7. 10–30 5,5. 10–30 1,5. 10–22 1

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Prefissi del Sistema Internazionale

• Fattore Prefisso Simbolo

• 1018 exa- E

• 1015 peta- P

• 1012 tera- T

• 109 giga- G

• 106 mega- M

• 103 kilo- k

• 102 hecto- h

• 101 deka- da• 10-1 deci- d

• 10-2 centi- c

• 10-3 milli- m

• 10-6 micro- m

• 10-9 nano- n

• 10-12 pico- p

• 10-15 femto- f

• 10-18 atto- a

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Sulla Terra arrivano 1,72 • 1017 W

Consumo normalizzato mondiale di energia: 1,33 • 1013 W

Il sole trasforma in energia una massa(E = m٠c2) di 4 milioni di tonnellate (4 ٠ 109 kg) ogni secondo e irradia nello spazio un’energia totale di 3,6 ٠ 1026 J ogni secondo

Sole

Terra

3,6 • 1026 W

POTENZA ED ENERGIA

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In base al principio di uguaglianza tra lavoro ed energia, la potenza misura anche la quantità di energia scambiata nell'unità di tempoAll'inverso, l'energia trasformata durante un processo, si ottiene dalla potenza sviluppata moltiplicandola per la sua durata.

La potenza è definita come il lavoro (L) compiuto nell'unità di tempo (t):

Nel sistema internazionale di unità di misura la potenza si misura coerentemente in watt (W), come rapporto tra unità di energia in Joule (J) e unità di tempo in secondi (s):

W = J/s

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Il Sole trasforma in energia una massa (E = mּc2) di 4 milioni di tonnellate = 4 • 109 kg ogni secondo ed irradia nello spazio un’energia totale di 3,6 • 1026 J ogni secondo

Una grande centrale elettrica può produrre circa 109 J/s (1000 MW)

Su ogni m2 della superficie terrestre incide un’energia solare media di 600 J/s, equivalente a circa 107 J al giorno

Un essere umano, per sopravvivere, ha bisogno di 2000-2500 kcal/giorno (2300-2900 Wh; cioè circa 8-10 MJ) sotto forma di cibo ingerito

100 g di zucchero forniscono un’energia di circa 2 • 106 J

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L'energia può essere suddivisa in categorie in base all'ordine della sua utilizzazione.

Per energia primaria s'intende il potenziale energetico presentato dai vettori energetici nella loro forma naturale, ad esempio il petrolio, il gas naturale, il carbone, l'uranio naturale, l'acqua e altre fonti energetiche rinnovabili.

L'energia secondaria è energia ricavata da energia primaria attraverso un processo di trasformazione e con una perdita di energia (ad esempio coke, mattonelle di carbone e catrame, elettricità, calore a distanza, idrogeno, olio combustibile o benzina).

L'energia finale è la forma di energia utilizzata direttamente dai consumatori, ad esempio l'olio combustibile o la benzina nel serbatoio, il gas naturale dalla condotta, l'elettricità dall'azienda elettrica, gli agglomerati di legno, il calore a distanza, ecc.

L'energia fornita al consumatore è energia finale trasformata in energia utile

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Come detto per effettuare un bilancio energetico di un edificio valuteremo principalmente flussi di energia termica, ci occuperemo cioè della forma di energia usualmente chiamata calore.

Il calore è una forma di energia trasferita da un corpo (o da un sistema) ad un altro a temperatura differente.

IL CALORE

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Principali grandezze che definiscono quantità di calore :calore specifico [ J / kg · K] : quantità di calore da fornire all’unità di massa di un corpo per variare di 1°C la sua temperatura Q = m c (Tf – Ti) Il prodotto tra calore specifico di un corpo e massa del corpo stesso prende il nome di capacità termica del corpo Q = C (Tf – Ti)

calore latente : quantità di calore da fornire all’unità di massa di un corpo dall’inizio alla fine di un suo passaggio di stato (fusione, evaporazione/ebollizione, sublimazione)

calore di reazione : quantità di calore sviluppata o assorbita durante una reazione chimica. Esso ha un valore diverso se misurato a pressione costante o a volume costante. Un caso particolare è il calore di combustione , che è la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa dell’unità di massa di una sostanza

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Il processo mediante il quale avviene lo scambio di energia è noto come trasmissione del calore .

Come già accennato, la branca della scienza che si occupa delle relazioni tra il calore e le altre forme di energia è la termodinamica

il primo principio della termodinamica afferma sostanzialmente che l’energia non può essere creata né distrutta, ma solo t rasformata da una forma all’altra ∆U = Q - LQuesto principio governa quantitativamente ogni tras formazione di energia, ma non pone alcuna restrizione al verso della trasformazione

il secondo principio della termodinamica afferma invece che non èpossibile alcuna trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore da una regione a temperatura minore verso una regi one a temperatura maggioreTutti i processi di trasmissione del calore comport ano lo scambio e la conversione di energia e devono quindi obbedire al primo ed al sec ondo principio della termodinamica

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Nella soluzione di problemi di trasmissione del calore, non basta individuare i meccanismi di scambio termico in gioco, ma è anche necessario stabilire se il processo avviene o meno in regime stazionario(detto anche regime permanente)

Si parla di regime stazionario quando la potenza termica in un sistema non varia nel tempo e la temperatura in ciascu n punto non cambia . In qualsiasi punto del sistema, la potenza termica entrante èpari esattamente a quella uscente e non si ha alcuna variazione dell’energia interna.

Quando, invece, la temperatura in qualche punto varia nel tempo, allora si dice che la trasmissione del calore nel sistema avviene in condizioni di regime non stazionario (detto anche regime transitorio): poiché una variazione di temperatura sta ad indicare una variazione di energia interna, è evidente che l’accumulo di energia è tipico del flusso non stazionario.

REGIME STAZIONARIO

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Il calore può fluire da un corpo ad un altro secondo tre meccanismi

CONDUZIONE

L’energia termica si propaga per contatto attraverso un mezzo solido, liquido o gassoso

CONVENZIONE

Un fluido interposto tra i corpi si mette in moto e trasporta energia trai corpi stessi

IRRAGGIAMENTO

Il calore viene emesso o assorbito sotto forma di radiazione elettromagnetica

E’ bene sottolineare che, nella maggior parte dei fenomeni naturali, il calore fluisce secondo più meccanismi contemporaneamente.

LA TRASMISSIONE DEL CALORE

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CONDUZIONE

Φ = Q/t

La "conducibilità" o "conduttività termica", indicata con λ, è la quantità di caloretrasferito in una direzione perpendicolare ad una superficie di area unitaria, a causa di un gradiente di temperatura, nell'unità di tempoe in condizioni stabili. [W / m · K]In termini semplici, è l'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore.

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Parete Monostrato

s1, λ1

s2, λ2

s3, λ3t1

t2

Parete Multistrato

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CONVEZIONESi ha quando un fluido (come l'acqua o l'aria) entra in contatto con un corpo la cui temperatura è maggiore di quella del fluido stesso. La convezione non è rigorosamente conforme alla definizione di scambio termico, in quanto essa dipende anche dal trasporto di materia.

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tpta

Φ = hc S (tp – ta)Dove hc rappresenta il coefficiente di scambio convettivo in W / m2 · K

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IRRAGGIAMENTO

L'irraggiamento è un fenomeno che si presenta ad ogni temperatura e interessa ogni aggregato materiale, non importa se solido, liquido o gassoso.

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La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento èproporzionale a T4, cioè alla quarta potenza della sua temperaturaA basse temperature l'irraggiamento è responsabile di una frazione trascurabile del flusso di calore rispetto alla convezione e alla conduzione, ma al crescere della temperatura la sua importanza aumenta rapidamente fino a diventare il principale artefice della trasmissione del calore per temperature medio-alte.

Φ = ε · σ · S · T4

Dove ε rappresenta il coefficiente di emissione o emissività ed è una misura della capacità di un materiale di irraggiare energia e σ è la costante di Boltzmann che vale 5,7 x 10-8 [W / m2 K4]

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TRASMITTANZA

Nei casi correnti è possibile unificare le tre forme di propagazione del calore derivando un’unica espressione

regime stazionario (flusso di calore costante nel tempo)

parete piana di estensione infinita

materiale componente perfettamente omogeneo ed isotropole due facce esterne della parete sono considerate come superfici isoterme

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Data una generica parete edilizia multistrato il flusso termico che attraversa la parete in condizioni stazionarie è proporzionale alla differenza di temperatura fra i due ambienti ed alla superficie della parete stessa

S

La trasmittanza U (o K) si definisce come il flusso di calore che attraversa una superficie unitaria sottoposta a differenza di temperatura pari ad 1°C ed è legata alle caratteristiche del materiale che costituisce la struttura e alle condizioni di scambio termico liminare e si assume pari all’inverso della sommatoria delle resistenze termiche degli strati

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Negli edifici vi è una domanda di servizi, non di energia

La scelta della fonte energetica per soddisfare una certa esigenza èfunzione del costo dell’energia, della disponibilità e dell’innovazione tecnologica, e da qualche anno anche dell’impatto sull’ambiente

IL BILANCIO ENERGETICO di un EDIFICIO

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FABBISOGNO DI CALORE DELL’EDIFICIO

Nel calcolo dei consumi energetici si prendono in considerazione anche gli apporti gratuiti

Gli apporti gratuiti però non vengono utilizzati completamente ma vanno ridotti

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ENERGIA DISPERSA durante la stagione di riscaldamento

H = coefficiente di dispersione termica [W/K]

GG = gradi giorno [K]

Fattore correttivo

Trasmittanza

Temperatura media esterna

t = durata stagione di riscaldamento in giorni

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APPORTI di CALORE durante la stagione di riscaldamento

Apporti solari QS = Σ [IS · AS · (FS · FC · FF) · g]

IS = Radiazione solare incidente per unità di superficie [kWh/m2]

AS = Area lorda del serramento [m2]

FS, FC, FF = Coefficienti correttivi (ombreggiamenti, tendaggi, telaio)

g = fattore solare del vetro

Apporti interni QI = a · AUa = Apporti interni per unità di superficie di pavimento [kWh/m2]

AU = Superficie utile di pavimento [m2]

Coefficiente di utilizzazione degli apporti ηUAumenta al diminuire del rapporto tra apporti e dispersioni (QG / QL)

Aumenta all’aumentare della capacità termica dell’edificio

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IMPIANTO TERMICO

L’impianto può essere schematizzato mediante quattro sub-sistemi

1) SISTEMA DI PRODUZIONE

2) SISTEMA DI DISTRIBUZIONE

3) SISTEMA DI EMISSIONE

4) SISTEMA DI REGOLAZIONE

Ognuno di questi sistemi avrà delle perdite e quindi dei rendimenti

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RENDIMENTI DI IMPIANTO

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IL PROGETTO DELL’IMPIANTO TERMICO

Bilancio di potenze termiche [W]

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Ti = temperatura dell’aria interna = 20 °C

Te = temperatura dell’aria esterna di progetto

Potenze disperse in condizioni di progetto [W]

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IL BILANCIO ENERGETICO SECONDO LA UNI EN ISO 13790

Il bilancio di energia viene definito includendo le seguenti quantità(si considera solo il calore sensibile)

- dispersione termica per trasmissione e ventilazione dall’ambiente riscaldato verso l’ambiente esterno;

- scambio termico per trasmissione e ventilazione tra z one adiacenti;

- apporti termici interni;

- apporti solari;

- perdite di generazione, distribuzione, emissione e regolazione dell’impianto di riscaldamento;

- energia assorbita dall’impianto di riscaldamento.

Il bilancio di energia può anche considerare l’energia recuperata da sorgenti varie.

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TERMINI PRINCIPALI DEL B.E.

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Definire i confini dell’ambiente riscaldato e, se appropriato, delle differenti zone ed ambienti non riscaldatiNel caso di riscaldamento intermittente o ventilazione intermittente, definire, all’interno del periodo di calcolo, i periodi aventi modalità differenti di riscaldamento e ventilazionePer una zona termica singola o per un calcolo multi-zona, calcolare il coefficiente di dispersione termica dell’ambiente riscaldatoPer il calcolo stagionale, definire o calcolare la durata e i dati climatici della stagione di riscaldamento

PROCEDIMENTO DI CALCOLO

Per ciascun periodo di calcolo (mese o stagione di riscaldamento):calcolare la temperatura interna corretta per ciascun periodocalcolare la dispersione termica, QLcalcolare gli apporti termici interni, Qicalcolare gli apporti solari, Qscalcolare il fattore di utilizzazione degli apporti termici, ηcalcolare il fabbisogno termico, Qh, per tutti i periodi di calcolocalcolare il fabbisogno termico annuale, Qh

calcolare il fabbisogno di energia per il riscaldamento, tenendo in considerazione le perdite dell’impianto di riscaldamento

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CONCLUSIONI

Lo scopo del sistema edificio-impianto è il comfort

Il risparmio energetico non deve essere perseguito a scapito del comfort

Un edificio può avere un alto consumo energetico, ma una scarsa qualità ambientale

Il comfort non è garantito soltanto dalle condizioni termo-igrometriche, ma anche dalla qualità dell’aria, dell’ambiente interno, dell’illuminazione e dalla protezione dai rumori

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L’evoluzione dell’architettura è stata condizionata dall’esigenza primaria di consentire la vita dell’uomo all’interno dell’edificio

Un architetto non può prescindere dal considerare l’edificio come un sistema vitale nel quale si sommano effetti fisici determinati dall’interazione dello stesso edificio con l’ambiente esterno

L’AMBIENTE ESTERNO e L’EDIFICIO

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