PRESENZA CONTEMPORANEA DI DIVERSE MODALITÀ DI SCAMBIO TERMICO

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1 PRESENZA CONTEMPORANEA DI DIVERSE MODALITÀ DI SCAMBIO TERMICO Al momento in cui siamo in presenza di diverse modalità di scambio termico (convezione + irraggiamento + conduzione) si introduce il concetto di coefficiente di trasmittanza U (o coefficiente globale di scambio). Detto coefficiente, introdotto dalla NORMA UNI 7357/74, riassume in sé le varie forme di scambio termico per convezione ed irraggiamento oltre che per conducibilità interna, che sono sempre presenti nella realtà. Prima di affrontare in dettaglio l analisi dello scambio termico per convezione ed irraggiamento si osserva che al fine della valutazione della quantità di energia dispersa attraverso un componente edilizio che separa ambienti a temperatura diversa si può ricorrere a dei coefficienti, detti coefficienti liminari di scambio termico α che conglobano gli effetti dei fenomeni suddetti e si trovano tabulati nelle Norme UNI 7357/76 e successivi adeguamenti in funzione della situazione geometrica (ad esempio struttura verticale, orizzontale ecc.), e nelle norme UNI di accompagnamento della Legge 10/91 (ad es. nelle UNI per i componenti finestrati).

2 PRESENZA CONTEMPORANEA DI DIVERSE MODALITÀ DI SCAMBIO TERMICO

3 PRESENZA CONTEMPORANEA DI DIVERSE MODALITÀ DI SCAMBIO TERMICO

4 PRESENZA CONTEMPORANEA DI DIVERSE MODALITÀ DI SCAMBIO TERMICO A partire da queste considerazioni, da un punto di vista ingegneristico ed in condizioni regime stazionario, la relazione della trasmissione del calore tra due fluidi separati da una parete può essere espressa dalla seguente relazione: q = UA(T T ) i e dove U èilcoefficiente di trasmittanza che tiene conto delle resistenze termiche offerte dalla parete per conduzione interna e dell adduzione del flusso termico sulle superfici interna ed esterna, mentre T i, T e sono rispettivamente le temperature all interno ed all esterno dell ambiente rilevate in posizione tale da non risentire degli effetti convettivi innescati dalle temperature superficiali della parete.

5 Resistenza termica liminare e resistenza termica globale La resistenza termica liminare in questione è relativa alla resistenza termica complessiva offerta dalle resistenze in parallelo dovute all irraggiamento ed alla convezione alla superficie del solido; per analogia elettrica si ha: 1/α= 1/h R + 1/h C dove h R e h C sono rispettivamente i coefficienti di scambio termico per irraggiamento e convezione La resistenza termica globale è quindi data dalla sommatoria delle resistenze termiche liminari sulle due facce, interna ed esterna,del componente e dalla resistenza termica per conduzione: R T = 1/α ι + ΣR i +1/α e (m²k/w) ed il coefficiente di trasmittanza è dato da: U = 1/ (1/α ι + ΣR i +1/α e ) ( W/m²K) dove: 1/α ι e 1/α ε sono rispettivamente le resistenze termiche liminari sulla faccia interna ed esterna del componente, e ΣR i rappresenta la resistenza termica interna per conduzione.

6 Resistenza termica liminare e resistenza termica globale Le relazioni suddette valgono per la determinazione dell andamento delle temperature superficiali ed all interno delle strutture al fine di verificare eventuali fenomeni di condensazione del vapore. L andamento della temperatura all interno della struttura si determina mediante la seguente relazione: T n = T n-1 q R n / A dove R n è il contributo resistivi dell enn.mo strato

7 Resistenza termica liminare e resistenza termica globale

8 Esercizio Si determini la potenza necessaria per mantenere un locale a 20 C quando la temperatura esterna è 0 C ed il muro divisorio, costituito in mattoni dello spessore di 20cm, ha una superficie di 15m 2. A=15m2, d=20cm=0.2m, T 1 =20 C, T 2 =0 C, h 1 =8W/m2K, h 2 =20W/m 2 K, λ=1w/m K

9 Soluzione In prossimità della parete l aria è soggetta a moti convettivi che ne abbassano la temperatura cosicché la rete elettrica equivalente è costituita complessivamente da tre resistenze connesse in serie, poiché il flusso di calore inizialmente attraversa lo strato d aria interno, quindi la parete ed infine 1 1 R T = = = ha 815 i 3 d 02. K R T = = = λ A 115 W 1 1 R T = = = ha e K W 3 K W da cui si ottiene l energia dispersa dalla parete per unità di tempo che coincide con la potenza necessaria per mantenere costante la temperatura nella stanza: (T1 T 2 ) 20 0 q = = = 813W R Tot valore da confrontare con i circa 1500W richiesti, nella stessa situazione, trascurando gli effetti convettivi dell aria a contatto con la parete.

10 Esercizio Una stufa da 3 kw (q s ) viene impiegata per riscaldare un ambiente le cui pareti sono realizzate mediante uno strato di spessore pari a 20 cm (s 1 ) realizzato con mattoni (λ 1 =0.69 W/mK), uno strato di spessore pari a 5 cm (s 2 ) di materiale isolante (λ 2 =0.05 W/mK) ed uno strato di 1 cm (s 3 ) di intonaco (λ 3 =0.1 W/mK). La stanza ha un volume V di 100 m 3 e si suppone fissato un ricambio d aria del 15% ogni ora; sapendo che la superficie disperdente totale è pari a 25 m 2 (S) si vuol sapere quanto vale la temperatura di regime della stanza (T i ) quando la temperatura esterna (T e ) vale -5 C (si assuma α i =7 W/m 2 K e α e =20 W/m 2 K, c paria =0.24 kcal/kgk ρ aria =1.2 kg/m3).

11 Soluzione Per prima cosa si può calcolare il coefficiente globale di scambio termico associato alle pareti della stanza: K = U = 1 1 s1 s2 s α λ λ λ α i e potenza termica dispersa attraverso le pareti verso l esterno vale dunque: q = UA(T T ) d i e La potenza termica che occorre fornire all aria esterna introdotta ogni ora nell ambiente per portarla alla temperatura di regime vale: rv qv = ρc p(ti T e ) dove r è la percentuale di ricambio orario di aria 3600 q = q + q un semplice bilancio termico, in condizioni stazionarie si deve avere che: T i qs = Te + rv UA + ρc 3600 p s v d

12 Esempio Consideriamo il caso di una parete multistrato, del tipo di quella schematizzata in figura, che separa due ambienti a temperatura diversa. Il flusso termico q trasmesso tra i due fluidi è calcolata mediante la q = UA(T T ) i dove U è il coefficiente globale di scambio termico che tiene conto delle resistenze termiche offerte dalla parete per conduzione interna e all adduzione del flusso termico sulle superfici interna ed esterna; Ti e Te sono rispettivamente le temperature all interno ed all esterno dell ambiente rilevate in posizione tale da non risentire degli effetti convettivi innescati dalle temperature superficiali della parete; A rappresenta la superficie della parete. e

13 Esempio Siano α i = 8 W/m²K, α e = 23 W/m²K, T i = 20 C, T e = -5 C, ed inoltre si assumono le seguenti caratteristiche geometriche e fisiche per i materiali costituenti la parete in questione: 1. intonaco interno (ρ=1800 kg/m3) s= 2cm λ = 0,80 W/mK 2. mattoni pieni (ρ=2000 kg/m3) s= 12cm λ = 0,81 W/mK 3. pannelli lana di vetro (ρ=30 kg/m3) s= 5cm λ = 0,04 W/mK 4. mattoni pieni (ρ=2000 kg/m3) s= 12cm λ = 0,81 W/mK 5. intonaco esterno (ρ=1500 kg/m3) s= 2cm λ = 0,69 W/mK Il valore della trasmittanza U sarà: U = 1/ R T = 1/ (1/α i + ΣR i +1/α e ) U = 1/(1/8 + 0,02/0,80+ 0,12/0,81 + 0,05/0,04 + 0,12/0,81 + 0,02/0,69 + 1/23) = 1/1,77 = 0,56 W/m²K

14 Esempio Il valore della potenza termica dispersa, per una superficie unitaria di parete sarà: q = UA(T T ) i e q = 0,56 W/m²K (1 m²) [20 - (- 5)] K = 14 W Il calcolo della temperatura superficiale di ogni strato ed il conseguente andamento della temperatura all interno della struttura si determina mediante la seguente relazione: T n = T n-1 -q R n / A pertanto, per A = 1 m² si ha:

15 Esempio T 1 = T i -q 1/(α i A) T 1 = T pi = (1/8) = 18,3 C T 2 = T 1 -q s 1 /(λ 1 A) T 2 = 18,3-14 (0,02/0,80) = 17,9 C T 3 = T 2 -q s 2 /(λ 2 A) T 3 = 17,9-14 (0,12/0,81) = 15,8 C T 4 = T 3 -q s 3 /(λ 3 A) T 4 = 15,8-14 (0,05/0,04) = - 1,7 C T 5 = T 4 -q s 4 /(λ 4 A) T 5 = - 1,7-14 (0,12/0,81) = - 3,8 C T 6 = T 5 -q s 5 /(λ 5 A) T 6 = T pe = - 3,8-14 (0,02/0,69) = - 4,2 C per verifica: T 7 = T 6 -q 1/(α e S) T 7 =T e = - 4,2-14 (1/23) 5 C

16 Schema muratura a cassetta con interposto isolante termico e relativo andamento delle temperature interne (scala originale 1:10). T 1 = 18,3 C T 2 = 17,9 C T 3 = 15,8 C T 4 = - 1,7 C T 5 = - 3,8 C T 6 = - 4,2 C T 7 = 5 C

17 L'ARCHITETTURA BIOCLIMATICA Per architettura bioclimatica si intende l'architettura finalizzata al raggiungimento del comfort ambientale interno. Essa minimizza i consumi energetici necessari per la climatizzazione (riscaldamento, condizionamento estivo ed illuminazione diurna) e limita, di conseguenza, l'inquinamento dell'ambiente. L'architettura bioclimatica si può intendere, quindi, come un complesso di soluzioni progettuali che consentono di assicurare all'interno di un edificio il mantenimento di condizioni di comfort ambientale, inteso come soddisfacimento dei requisiti di cont rollo del microclima interno degli edifici, della illuminazione naturale degli stessi, limitando al minimo l'intervento degli impianti che comportano consumi energetici da fon ti convenzionali. Tale architettura affida in modo prevalente alla struttura, alla conformazione fisica dell'edificio, al suo orientamento ed al contesto climatico in cui viene realizzato, il compito di captare o rinviare le radiazioni solari e di sfruttare il microclima locale, ad esempio i venti prevalenti, per ottenere il comfort ambientale Il sole è una fantastica fonte di energia. La sua temperatura superficiale è di circa 6000 C che ci trasmette sotto forma di un costante flusso energetico elettromagnetico

18 L'ARCHITETTURA BIOCLIMATICA Appare perciò evidente che, per questo e per altri aspetti che poi sommariamente saranno di seguito riportati, è indispensabile riflettere sull'ubicazione di un edificio affinché possano essere sfruttate al meglio le radiazioni solari. E' necessario individuare l'area del sito che riceve la maggior parte del sole durante le ore di massima radiazione e collocare la costruzione nella parte nord di tale area per poter godere ed anche sfruttare i benefici di una buona e significativa sistemazione a verde esterna. Una costruzione allungata lungo l'asse est-ovest esporrà perciò una maggiore superficie esterna a sud; il che permetterà di minimizzare i fabbisogni di riscaldamento durante l'inverno e rendere più salubri gli ambienti. Le case storiche nelle campagne dei nostri contadini sono quasi sempre orientate in tal senso, salvo eccezioni motivate da altri fattori.

19 L'ARCHITETTURA BIOCLIMATICA Da quanto detto a proposito dello studio del luogo sul quale collocare la costruzione, appare opportuno valutare con attenzione la disposizione dei locali. Gli ambienti nei quali si svolge la maggior parte della vita abitativa andrebbero disposti a sud-est, sud e sudovest, conformemente al loro bisogno di sole (luce e calore). Se gli spazi che hanno meno bisogno di riscaldamento e illuminazione, quali corridoi, autorimesse, lavanderie, ripostigli, sono disposti lungo il lato nord, essi serviranno da cuscinetto tra gli spazi riscaldati ed il fronte nord più freddo. La zona giorno andrà dunque collocata a sud-ovest e la cucina a sud-est. Buona norma è poi quella di dotare l'edificio di un ingresso protetto, soprattutto in condizioni climatiche contrassegnate da inverni rigidi. In tal caso l'ingresso principale può essere progettato per diventare un piccolo spazio chiuso, una sorta di vestibolo che costituisca una camera di decompressione tra l'esterno e l'interno dell'edificio.

20 L'ARCHITETTURA BIOCLIMATICA Con questo accorgimento si potrà evitare che una grande quantità d'aria riscaldata esca dall'edificio ogni volta che la porta viene aperta. Oltre l'orientamento si possono effettuare accorgimenti tecnici atti a recuperare energia dal sole quali serre, muri di Trombe, pannelli solari e fotovoltaici, che in questi anni grazie a diverse installazioni sono migliorate notevolmente dal punto di vista qualitativo. Le strategie d'intervento per sfruttare al meglio le caratteristiche climatiche regionali si differenziano ovviamente a seconda della zona in cui si opera. Il clima locale deve sempre essere considerato come un fenomeno complesso perchè una strategia che consideri un solo aspetto può portare a dei buoni risultati per un verso, ma risultare negativa per un altro. Per ogni fascia climatica e ogni situazione esistono opportune tecniche e opportune strategie che devono essere però concepite nel loro insieme e che comunque non devono escludere la possibilità - o la necessità - di essere integrate con i sistemi tradizionali di controllo dell'ambiente interno. L'energia solare può essere utilizzata in modo attivo o in modo passivo e per questo si vuole distinguere fra energia solare attiva ed energia solare passiva.

21 ENERGIA SOLARE Con l'espressione "energia solare passiva" si intende in genere raggruppare tutte le applicazioni in cui l'energia solare viene utilizzata senza alcun ausilio motorizzato e in cui la distribuzione del calore prodotto avviene grazie ai fenomeni naturali della conduzione, della convezione e dell'irraggiamento, anzichè Nella mediante gestione l'utilizzazione di un edificio o pompe di un'abitazione, o ventole. le strategie solari passive, con diverse varianti, possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere tre obiettivi principali: 1) Per il riscaldamento di un edificio, soprattutto nei climi freddi, attraverso l'accumulo, la distribuzione e la conservazione dell'energia termica solare. Al fine di raggiungere questo scopo, le principali tecniche passive prevedono l'impiego di muri termoaccumulatori, di un ottimo isolamento, di una notevole massa termica, di sistemi di preriscaldamento dell'aria, di superfici vetrate esposte a Sud, di vere e proprie serre addossate all'edificio e altri accorgimenti ancora. 2) Per il raffrescamento naturale di un edificio, grazie alla ventilazione naturale, alla schermatura e all'espulsione del calore indesiderato verso dissipatori di calore ambientali ( aria, cielo, terra,acqua ). Le principali tecniche impiegate in questo caso prevedono soprattutto l'utilizzo di condotte d'aria interrate, di camini solari, di una buona massa termica, della ventilazione indotta, di protezioni dall'irraggiamento diretto e di sistemi per la deumidificazione o per l'evaporazione dell'acqua. 3) L'altro importante contributo passivo che si può ottenere dall'energia solare riguarda l'illuminazione diurna di un edificio, sfruttando sia la luce

22 ENERGIA SOLARE Con l'espressione "energia solare attiva" si intende in genere raggruppare tutte le applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia termosolare ) e il settore dell'energia fotovoltaica L'energia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro per il tipo di collettore impiegato, il tipo di scambiatore di calore, il modo di immagazzinamento dell'energia ecc. In ogni caso tutti i sistemi attivi, che vengono in genere utilizzati per riscaldare gli ambienti o l'acqua, hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi di immagazzinamento del calore, mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole. I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono, tra gli altri vantaggi, la caratteristica di poter essere integrati con relativa facilità nella struttura dell'edificio. Esiste quindi la possibilità di creare delle vere e proprie facciate energeticamente attive, senza rinunciare alla qualità stilistica e architettonica dell'edificio e contemporaneamente realizzando un manufatto con un ridotto impatto ambientale in termini di emissioni inquinanti

23 COME CATTURARE LA RADIAZIONE SOLARE L energia radiante del Sole, che deriva dai processi di fusione dell idrogeno interni alla nostra Stella, si propaga simmetricamente nello spazio, raggiungendo la fascia esterna dell atmosfera con una densità costante pari a 1353 Watt per metro quadrato. Tuttavia, a causa dell effetto filtrante dell atmosfera, solo una parte di questa quantità (al massimo Watt per ogni metro quadrato di superficie orizzontale) raggiunge il nostro suolo. [W/m²] DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA W/m² (AM0) 1000 W/m² (AM1) RADIAZIONE VISIBILE DALL'OCCHIO UMANO LUNGHEZZA D'ONDA 0,3 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [µm]

24 COME CATTURARE LA RADIAZIONE SOLARE Come possiamo catturare la massima quantità possibile di radiazione solare? Dobbiamo ricordare anzitutto: La Terra compie ogni anno una traiettoria ellittica intorno al Sole, ruotando al tempo stesso su se stessa. Se il suo asse fosse esattamente verticale, non ci sarebbero grandi variazioni climatiche nelle varie stagioni. Per effetto dell inclinazione dell asse terrestre, invece, il Sole in estate nasce più presto e tramonta più tardi, ed è più alto sull orizzonte; viceversa succede in inverno. L intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall angolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è l angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare

25 COME CATTURARE LA RADIAZIONE SOLARE Greenwich Giugno Latitudine φ Declinazione δ Longitudine Settembre / Marzo Dicembre Equatore

26 COME CATTURARE LA RADIAZIONE SOLARE La quantità di radiazione solare che viene captata da un pannello solare, dipende da tre fattori importanti: a) la latitudine del posto considerato (nella Regione Marche circa 43 nord); com è intuitivo, le aree disposte intorno all equatore (latitudine 0 ), laddove il Sole è mediamente più alto rispetto all orizzonte, hanno un irraggiamento maggiore rispetto a quelle vicine ai poli (latitudine 90 ); b) l orientamento rispetto al sud (chiamato anche azimut); i pannelli rivolti verso sud (anche questa regola è abbastanza intuitiva) ricevono una maggiore quantità di energia rispetto a quelli rivolti ad est ed ovest o, peggio ancora, a nord; c) l inclinazione rispetto al piano orizzontale; per ogni latitudine, esiste un inclinazione ottimale per captare la massima energia solare possibile;

27 COME CATTURARE LA RADIAZIONE SOLARE 1) per valori di inclinazione fino a 55, l'irraggiamento massimo si ottiene con superfici orientate a sud (azimut = 0 ); 2) per superfici orientate da SE a SO (azimut compreso tra -45 a +45 ) come la gran parte di quelle interessate alle applicazioni solari, l'irraggiamento massimo si ottiene con una inclinazione dei pannelli di 30 ; 3) se per vincoli architettonici occorre discostarsi dai valori ottimali di inclinazione e orientamento, si possono ottenere comunque in molti casi penalizzazioni limitate con scostamenti dell'inclinazione di 10 in più o in meno rispetto a quella ottimale di 30 e con scostamenti di orientamento fino a 45 in più o in meno rispetto al sud. Ciò consente in definitiva al progettista ed all utente un minore condizionamento dai vincoli geometrici ed architettonici del sito d'installazione.

28 LA RADIAZIONE SOLARE Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici con differenti angoli di inclinazione β ed orientate a Sud (azimut γ=0). Località con latitudine φ=40 Nord e cielo sereno [MJ/m 2 /giorno] β=60 β=30 5 Orizzontale Verticale 0 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

29 LA RADIAZIONE SOLARE Andamento della radiazione solare giornaliera media annua al variare dell inclinazione della superficie captante, orientata a Sud. Località con latitudine φ=43,68 Nord [Wh/m 2 ] max [gradi]

30 LA RADIAZIONE SOLARE Profilo dei percorsi solari e della linea d orizzonte Latitudine φ = Longitudine (1): 22 giugno (2): 22 mag. 23 lug. (3): 20 apr. 23 ago. (4): 20 mar. 23 sett. (5): 21 feb. 23 ott. (6): 19 gen. 22 nov. (7): 22 dicembre Declinazione [gradi] Azimut γ [gradi]

31 LA RADIAZIONE SOLARE La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante: Mappe isoradiative (generalmente non permettono di distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa) pubblicate da vari organismi Valori tabellati per ciascuna località (Servizio Meteorologico Nazionale) Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI UNI 8477, metodo di Liu e Jordan, ecc.) Angoli di inclinaz. β e di orientaz. γ di una superficie Sud γ β

32 LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell irraggiamento su una superficie orizzontale (Norma UNI 10349) Noti, per le principali città, i valori della irradiazione giornaliera media mensile [MJ/m²], sul piano orizzontale, nelle componenti diretta e diffusa si risale al valore dell irradiazione per un generico sito: Si identificano due località di riferimento Si calcola il valore dell irradiazione come media ponderale dei valori delle due località di riferimento pesate rispetto alla latitudine, secondo la relazione: H H H = H + ϕ ϕ ( ) r2 r1 r1 r1 ϕr2 ϕr1 con H/H /H ϕ / ϕ / ϕ r1 r2 r1 r1 Irradiazione e latitudine rispettivamente di calcolo e delle località di riferimento

33 LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) Definita una superficie con una sua inclinazione β ed orientazione γ, l irraggiamento giornaliero medio H, su base mensile, viene espresso in rapporto R al valore corrispondente medio H h sul piano orizzontale: H = RH h = RK T Hh0 Essendo H h0 il valore medio mensile dell irraggiamento solare orizzontale extratmosferico - valore tabellato con H d Hd 1+ cosβ 1 cosβ R= 1 Rb + ρ Hh Hh 2 2 Rb Valore medio mensile del rapporto tra l irraggiamento diretto sulla superficie e quello sull orizzontale

34 LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) con H d H h H H ρ d h Irraggiamento solare diffuso [MJ/m²] o [kwh/ m²] Irraggiamento solare globale orizzontale [MJ/m²] o [kwh/ m²] valore tabellato Frazione diffusa del soleggiamento Riflettanza dell ambiente circostante [0,04-0,75] (relativamente a strade sterrate e neve fresca con film di ghiaccio) valore tabellato In mancanza di dati climatici diretti il rapporto H d /H h è calcolato facendo uso della correlazione con il coefficiente K T K T H H h = Indice di soleggiamento reale h0

35 LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) Calcolo di R Valore medio mensile del rapporto tra l irraggiamento b diretto sulla superficie e quello sull orizzontale con R b = H H b bh Il coefficiente R b si ricava a partire dai valori di H b e H bh che rappresentano rispettivamente il valore dell irraggiamento solare diretto con e senza ostruzioni: Indice di soleggiamento reale π Hb = G0 T '' ' + U sen '' sen ' V cos '' cos ' 180 ( ω ω ) ( ω ω ) ( ω ω ) ( ) ( ) ( ) T = senδ senϕ cos β cosϕ senβ cosγ U = cosδ cosϕ cos β senϕ senβ cosγ V = cosδ senβ senγ

36 LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) Calcolo di R Valore medio mensile del rapporto tra l irraggiamento b diretto sulla superficie e quello sull orizzontale ω Angolo orario (tiene conto della rotazione della terra attorno al proprio asse), il suo valore (ω [0 360 ]) può essere ricavato dall espressione ω=15 (ts 12) dove ts, compresa tra 0 e 24, è l ora legale con ω' ω'' Angoli orari ω e ω rispettivamente dell apparire e dello scomparire del sole per la superficie esposta; essi dipendono dalla giacitura della superficie e da eventuali ostruzioni; ω s Per un piano orizzontale, in assenza di ostruzioni, gli angoli orari ω e ω coincidono rispettivamente con -ωs e ωs (angolo orario del sorgere e del tramonto astronomico).

37 LA RADIAZIONE SOLARE Metodo di calcolo sperimentale dell irraggiamento su una superficie comunque inclinata ed orientata (UNI 8477) Calcolo di R Valore medio mensile del rapporto tra l irraggiamento b diretto sulla superficie e quello sull orizzontale con δ G 0 Declinazione media mensile angolo che la retta tracciata dal centro della terra al sole forma con il piano equatoriale valori medi tabellati in funzione della latitudine Costante solare radianza su una superficie extratmosferica perpendicolare ai raggi solari - pari a 1353 W/m2 π Hbh = 2 G0 Th ω s + Uh sen ω s 180 Th = senδ senϕ Uh = cosδ cosϕ V = 0 h Coefficienti T, U e V valutati sul piano orizzontale (β = 0)

38 LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO Calcolo dell energia solare annua, su base media mensile, captata da una superficie s=10m 2 caratterizzata da: Inclinazione β=50 Azimut γ=10 Assenza di fenomeni di ombreggiamento (ω =-ωs e ω =ωs) Riflettanza ρ=0,20 Posta in una località priva di ombreggiamenti di Cassino (lat. ϕ=41 38 ) Energia solare annua = 12 (Irraggiamento medio mensile) sup. 1

39 LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 12 ( ) E = R H n s anno mese hmese giorni mese mese = 1? ρmese ρ R mese Hd mese Hdmese 1+ cosβ 1 cosβ = 1 Rbmese + ρmese Hh 2 2 mese Hhmese H H d h mese mese H d = Irraggiamento solare diffuso [MJ/m²] o [kwh/ m²] Rapporto riportato nel Prospetto II della norma UNI 8477 in funzione dell indice di soleggiamento KT mese R b mese H bmese = = 1 H bh mese Valore unitario in quanto abbiamo ipotizzato l assenza di fenomeni di ombreggiamento?? H h = l irraggiamento giornaliero medio sul piano orizzontale

40 LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO Calcolo dell irraggiamento globale orizzontale giornaliero medio mensile [kwh/(m 2 giorno)] H h mese Dall appendice B della UNI 8477 si evincono i valori di Hh relativi a diverse località italiane. E possibile valutare l irraggiamento giornaliero medio mensile per la latitudine in esame (Cassino ) interpolando i valori di due stazioni meteorologiche prossime alla lat Località Roma Ciampino Foggia Amendola Cassino Latitudine Mesi Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre 41 48' 1,78 2,45 3,72 5,2 6,64 7,24 7,41 6,44 4,87 3,27 1,94 1, ' 1,75 2,63 3,79 5,34 6,39 6,85 7,24 6,41 4,86 3,35 2,06 1, ' 1,76 2,56 3,76 5,29 6,48 7,00 7,30 6,42 4,86 3,32 2,02 1,49

41 LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO Calcolo dell indice di soleggiamento reale K T : Calcolati, per ciascun mese, i valori dell irraggiamento H h giornaliero medio mensile e noti dal Prospetto I i valori medi mensili dell irraggiamento solare orizzontale extr'atmosferico Hh 0 per le latitudini 41 e 42, si ottengono per interpolazione i valori di Hh0 [kwh/(m2 giorno)] per la latitudine K T mese = H H h h0 mese mese Latitudine Mesi Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre 42 3,84 5,33 7,29 9,37 10,87 11,49 11,16 9,93 8,03 5,9 4,19 3, ,01 5,49 7,42 9,44 10,89 11,48 11,17 9,99 8,14 6,05 4,35 3, ' 3,95 5,43 7,37 9,41 10,88 11,48 11,17 9,97 8,10 5,99 4,29 3,55 Calcolato l indice K T, dal Prospetto II si evince il valore di H d mese/ H h mese : Mesi Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre K T 0,45 0,47 0,51 0,56 0,60 0,61 0,65 0,64 0,60 0,55 0,47 0,42 H d/h h 0,44 0,42 0,39 0,34 0,3 0,29 0,25 0,26 0,3 0,35 0,42 0,47

42 LA RADIAZIONE SOLARE ESEMPIO 12 ( ) E = R H n s anno mese hmese giorni mese mese = 1 R mese H d mese Hdmese 1+ cosβ 1 cosβ = 1 Rbmese + ρmese Hh 2 2 mese Hhmese Eanno = Rgen Hhgen 31 R feb Hhfeb 28 Rnov Hhnov 30 Rdic Hhdic s

43 Orientamento ed inclinazione dei pannelli solari L orientamento ottimale, per i collettori solari, è quello in cui la superficie captante è rivolta verso sud. Uno scostamento nell orientamento dei collettori fino a 30 verso est o verso ovest è comunque poco significativo. Con un orientamento di 30 la ricezione dei raggi diminuisce circa del 10%; poco di più con uno scostamento di 45 circa. Nell impossibilità di installare i pannelli solari a sud, è consigliabile rivolgerli verso ovest piuttosto che verso est, in quanto al pomeriggio la temperatura esterna è più elevata (maggior resa dei pannelli) e normalmente i consumi di acqua calda sono maggiori la sera e la mattina successiva.

44 Orientamento ed inclinazione dei pannelli solari L inclinazione ottimale dei collettori è quella che li rende perpendicolari al raggio di sole incidente. Di conseguenza è differente a seconda della stagione, in quanto il sole, d estate, è più alto rispetto all orizzonte che d inverno. Nella tabella successiva, fornita dall Istituto di ricerca Ambiente Italia, si riporta il rendimento (valore massimo = 1) dei collettori solari in funzione dell orientamento rispetto al sud (angolo azimutale) e rispetto all angolo con l orizzonte (inclinazione). A seconda dei due valori relativi al posizionamento dei collettori solari, se ne ricava il rendimento. Il numero di collettori solari da utilizzare va quindi calcolato dividendo il numero di collettori teorici necessari a seconda del numero di utenti da servire, per il rendimento trovato. Ad esempio, se fossero necessari 5 pannelli solari, disponendo di un orientamento di 45 ed un inclinazione di 60 ottengo un fattore correttivo di 0,90. 5 / 0,90 = 5,56 In questo caso, per sopperire all orientamento ed all inclinazione non del tutto favorevoli, dovrei installare 5,56 collettori solari; in pratica installando un collettore solare in più rispetto a quelli previsti ho più che sopperito alla non ottimale esposizione dei pannelli.

45 ORIENTAMENTO ED INCLINAZIONE DEI PANNELLI SOLARI Fonte: Impianti solari termici Manuale per la progettazione e costruzione Ambiente Italia Versione 2.0 Gennaio 2002

46 COME È FATTO UN PANNELLO SOLARE? I collettori solari per uso termico, cioè per la produzione di acqua calda, hanno ormai raggiunto buoni livelli di maturità tecnologica e competitività economica. Sul mercato esistono vari tipi di pannelli; ciascuno ha caratteristiche, costi ed applicazioni diverse; è bene quindi conoscere le varie possibilità, in modo da scegliere la tipologia più adatta alle proprie esigenze

47 COME È FATTO UN PANNELLO SOLARE? a) Pannelli in plastica Generalmente in polipropilene, sono senza copertura, di semplice installazione, basso costo e manutenzione pressoché nulla; possono essere forniti anche in rotoli da tagliare su misura, ma hanno rese inferiori che li rendono pressoché inutili nei mesi invernali. L acqua di consumo può circolare direttamente nei pannelli, e quindi non vi è necessità del circuito separato con scambiatore di calore. b) Collettori sotto vuoto Gli elementi captanti del pannello sono contenuti in tubi o elementi sotto vuoto, che riducono le dispersioni di calore. I circuiti attraversati dal fluido sono collegati tra di loro in parallelo ed inseriti in contenitori coibentati. Avendo costi più elevati dei collettori tradizionali, si prestano per applicazioni in cui sono richieste alte temperature. c) Pannelli ad aria Utilizzano l aria, invece dell acqua, per trasferire il calore all utenza. Non prevedendo sistemi di accumulo, hanno una risposta più rapida rispetto ai sistemi ad acqua, ma con potenzialità ridotte, per il basso calore specifico dell aria rispetto all acqua. Si integrano bene con le soluzioni di architettura bioclimatica.

48 COME È FATTO UN PANNELLO SOLARE? d) Pannelli con tubi e piastra captante Il tipo più diffuso per la produzione di acqua sanitaria, costituito essenzialmente da: una copertura in vetro o altro materiale trasparente; un fascio di tubi, generalmente in rame, in cui scorre il fluido che trasporta il calore, in genere una miscela protettiva e anticongelante di acqua e glicole; una superficie, a contatto con i tubi, con alto potere di assorbimento dell'energia solare; un rivestimento isolante, per impedire la dissipazione dell'energia all'esterno; un telaio di contenimento in acciaio o alluminio, completo di cornici di chiusura, guarnizioni di tenuta e accessori.

49 COME È FATTO UN PANNELLO SOLARE? - Superficie selettiva trasparente - Piastra assorbente - Tubi in cui scorre il fluido termovettore - Strato isolante Rendimento: termovettore Calore ceduto al fluido η= Radiazione incidente sul collettore η= 17 22%

50 COME FUNZIONA UN IMPIANTO SOLARE TERMICO Un impianto solare termico ha il compito di trasferire il calore ricevuto dalla radiazione solare all acqua destinata agli usi sanitari o ad altri usi termici. Per ottenere ciò, oltre ai collettori solari, occorrono altri componenti ed apparecchiature, tra cui: un bollitore, che serve ad accumulare l acqua calda prodotta dall impianto, in modo da avere una riserva adeguata a soddisfare la richiesta in tutti i periodi del giorno; uno scambiatore di calore all interno trasmette il calore dal circuito solare all impianto idraulico dell utenza; un circuito di collegamento idraulico, comprendente la tubazione di arrivo dell acqua fredda, quella di uscita dell acqua calda, più tutte le altre tubazioni, valvole e accessori necessari; ha una duplice funzione: quella di garantire il trasferimento del calore dai pannelli al bollitore, e quella di trasferire il calore così prodotto dal bollitore all acqua calda destinata alle utenze; un circuito elettrico (solo per impianti a circolazione forzata), che comprende un circolatore per l acqua ed una centralina di regolazione della temperatura. In alcuni impianti solari manca lo scambiatore di calore all interno del bollitore: l acqua destinata alle utenze è la stessa che attraversa i pannelli; questa soluzione, sicuramente più economica, espone però il circuito ai pericoli del gelo e può determinare un precoce decadimento delle prestazioni dell impianto a causa di incrostazioni e corrosioni, per questi motivi è generalmente sconsigliata.

51 COME FUNZIONA UN IMPIANTO SOLARE TERMICO Le tipologie d'impianto possibili sono principalmente due: -a circolazione naturale -il trasferimento del calore dai pannelli all'accumulo è affidato ai naturali moti convettivi derivanti dal riscaldamento del fluido; non essendovi circolatori né collegamenti elettrici, si avrà un'applicazione molto semplice ed intrinsecamente affidabile, oltre che meno costosa, che però vincola il serbatoio in posizione superiore ai pannelli; il circuito dei pannelli e quello dell acqua sanitaria possono essere in comunicazione tra loro (impianto a un circuito), oppure separati per mezzo di uno scambiatore di calore (impianto a due circuiti);

52 COME FUNZIONA UN IMPIANTO SOLARE TERMICO -a circolazione forzata la circolazione del fluido dai pannelli al bollitore è assicurata da un circolatore ad azionamento elettrico e da una centralina di regolazione; l impianto è più complesso, ma in compenso la posizione del bollitore non è obbligata, per cui questo può essere installato anche inferiormente ai pannelli, in un locale tecnico, sotto la copertura dell edificio o nel bagno.

53 SCEGLIAMO L L IMPIANTO SOLARE

54 SCEGLIAMO L L IMPIANTO SOLARE E molto importante dimensionare correttamente la superficie captante necessaria, onde sfruttare al massimo l energia solare senza incorrere in costi proibitivi. Anzitutto, non è consigliabile pretendere di soddisfare il fabbisogno delle utenze al 100% tutto l anno: se sibvolesse raggiungere l autosufficienza anche a dicembre, negli altri mesi si avrebbe un energia esuberante, che resterebbe inutilizzata, ed un impianto costoso e di difficile ammortamento. Conviene invece coprire con l impianto solare la gran parte del fabbisogno, lasciando ad una fonte integrativa il compito di coprire le punte di carico nei mesi invernali o nelle giornate di cattivo tempo. Una buona regola pratica negli usi residenziali, se non si hanno dati più precisi sui fabbisogni di acqua calda, prevede una superficie captante pari a 0,7 1 mq per persona per tutto l anno (0,5 0,7 mq per persona per solo uso estivo) ed una capacità del bollitore di circa litri per ogni mq di pannelli.

55 SCEGLIAMO L IMPIANTO L SOLARE Una scelta importante è quella tra circolazione naturale e forzata; la prima tipologia è decisamente preferibile, in linea di principio, in quanto più semplice ed economica. Se invece la posizione del bollitore è obbligata, o distante dai pannelli, occorre ricorrere alla circolazione forzata. Quanto al riscaldamento degli ambienti, l'applicazione va valutata con attenzione: l'energia solare è minore proprio in inverno, quando deve funzionare l'impianto termico. Condizioni essenziali sono una riduzione preventiva delle dispersioni, tali da non richiedere estese ed onerose superfici captanti, e tipologie impiantistiche a bassa temperatura, come quella a pavimento, o con corpi scaldanti a convezione (es. termoconvettori, ventilconvettori).

56 DESCRIZIONE IMPIANTO GENERALE Una delle caratteristiche peculiari dell energia solare, rispetto ad esempio all energia elettrica o all utilizzo dei combustibili fossili, è quella di essere decentralizzata ovvero disponibile sul luogo dove viene utilizzata. La Figura mostra, in maniera molto sintetica, la costituzione di un impianto per la produzione e la distribuzione dell acqua calda sanitaria.

57 DESCRIZIONE IMPIANTO GENERALE

58 DESCRIZIONE IMPIANTO GENERALE L energia solare irradiata dal sole (1) viene in parte assorbita dalla batteria di collettori solari (2) installati sul tetto dell abitazione. Nella batteria di collettori solari giunge, attraverso l impianto idraulico (3), il fluido termovettore freddo che, passando nelle serpentine dell assorbitore, si riscalda e attraverso una pompa viene riportato all interno del bollitore (4) dove cede calore all acqua calda sanitaria. Il controllo dell intero impianto è gestito da un apposita centralina elettronica (5) che attiva l impianto in presenza di condizioni favorevoli di temperatura, misurate attraverso un sistema di sonde (8) posizionate sia nel bollitore che sui pannelli solari. L acqua calda sanitaria così prodotta (6) può essere utilizzata all interno dell abitazione. In caso di maltempo prolungato e nel periodo invernale, può essere necessario l utilizzo di un altra sorgente di calore supplementare (7) per raggiungere la temperatura desiderata all interno del bollitore.

59 DESCRIZIONE IMPIANTO GENERALE L energia solare irradiata viene trasformata in calore nel collettore (1). Questo calore riscalda un fluido antigelo contenuto nelle tubature (2) e da questo viene trasportato in un bollitore/serbatoio (3). Qui - attraverso uno scambiatore termico il calore viene ceduto all acqua sanitaria e quindi utilizzato. Il bollitore termico deve essere correttamente dimensionato, in modo da permettere di avere sempre una scorta di acqua calda per più giorni. Passando nello scambiatore di calore del bollitore, il liquido vettore si raffredda cedendo calore all acqua calda sanitaria e ritorna quindi al collettore posto sul tetto. Nella maggior parte dei casi il liquido viene sospinto da una pompa (6). Un apparecchiatura di comando, la centralina elettronica (7), fa sì che la pompa sia azionata solamente quando la temperatura dell acqua nel collettore è superiore alla temperatura dell acqua presente nel bollitore (temperature rilevate con appositi sensori). In caso di arresto dell impianto, la valvola di non ritorno (8)

60 ESEMPI DI REALIZZAZIONI

61 BREVE GUIDA AL DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO SOLARE In questa sezione si riporta un procedimento molto semplice per definire la superficie di pannelli necessaria (dimensionamento indicativo dell impianto solare). La prima tabella consente, tenendo conto delle abitudini medie, di calcolare in modo approssimativo il fabbisogno di acqua calda. Tabella A: Consumi medi

62 BREVE GUIDA AL DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO SOLARE In alternativa, ci si può affidare a dati statistici, secondo le tabelle seguenti. Tabella B: Fabbisogni medi giornalieri di acqua calda per persona 70

63 BREVE GUIDA AL DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO SOLARE Tabella C: Fattore di moltiplicazione del fabbisogno di acqua calda in litri/persona-giorno in funzione del numero di alloggi Tabella D: Fattore di moltiplicazione del fabbisogno di acqua calda in litri/persona-giorno in funzione del numero di vani per ogni alloggio

64 BREVE GUIDA AL DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO SOLARE Tabella E: Fattore di moltiplicazione del fabbisogno di acqua calda in litri/persona-giorno in funzione del tenore di vita degli utilizzatori Qual è la superficie dei pannelli necessaria? Sarebbe sufficiente conoscere la quantità di acqua calda prodotta da 1 metro quadrato di pannello. Tabella F: Quantità giornaliera di acqua calda, in litri al giorno, prodotta da 1 metro quadrato di impianto solare; inclinazione 30, orientamento sud.

65 BREVE GUIDA AL DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO SOLARE A questo punto basta dividere il fabbisogno totale giornaliero di acqua calda per la quantità prodotta da 1 metro quadrato di pannello per ottenere la superficie necessaria: (fabbisogno per persona-giorno) x (numero di persone)/ Quantità giornaliera prodotta da 1 mq = numero di metri quadrati necessari Esempio Vogliamo calcolare la superficie di pannelli necessaria in un villino bi-familiare (2 alloggi) di 6 vani cadauno, di tipo medio, in cui abitano complessivamente 6 utenti con tenore di vita normale: Fabbisogno giornaliero di acqua calda (Tabella B, case di abitazione di tipo medio): litri/persona-giorno (si assume 75). Fattori correttivi: in funzione del numero di alloggi (Tabella C, 2 alloggi): 0,86 in funzione del numero di vani per ogni alloggio (Tabella D, da 5 a 6 vani): 1,1 in funzione del tenore di vita (Tabella E, normale): 1,0 Fabbisogno totale giornaliero di acqua calda: 75 litri/persona x 0,86 x 1,1 x 1,0 x 6 persone = 426 litri/giorno

66 BREVE GUIDA AL DIMENSIONAMENTO DELL IMPIANTO SOLARE Dalla Tabella F, si vede che la superficie di pannelli necessaria per avere la completa autosufficienza anche in dicembre, con pannelli di media efficienza, sarebbe: 426 litri/giorno / 42 litri/mq-giorno 10 mq. In questo modo, però, si avrebbe un impianto sovradimensionato, e quindi di difficile ammortamento, per quasi tutto l anno. Risulta molto più conveniente, a conti fatti, dimensionare l impianto per i mesi estivi (luglio), affidando ad un sistema integrativo (es. caldaia a metano) il compito di coprire il fabbisogno anche nei mesi invernali o di cattivo tempo. In questo caso la superficie necessaria diventa: 426 litri/giorno / 105 litri/mq-giorno 4 mq. Come si può ricavare dalla Tabella, la quantità di acqua calda prodotta dall impianto di 4 mq durante tutto l anno corrisponde a circa il 70% del fabbisogno complessivo; se avessimo scelto un impianto da 10 mq, avremmo speso più del doppio per avere solo il 30% di calore in più! Fonte: Guida alla scelta e all installazione degli impianti solari per uso termico Agenzia Regionale per l Energia- Pescara

67 Vantaggi per l ambientel L utilizzo dei pannelli solari porta ad un notevole risparmio di combustibile evitando quindi la produzione e la dispersione in atmosfera di enormi quantità di sostanze a vario titolo dannose per l ambiente. Basti pensare che 1 m 2 di collettore solare permette ogni anno di risparmiare circa 100 litri di petrolio e conseguentemente di evitare la diffusione in atmosfera di: 315 Kg di CO 2 (anidride carbonica la maggior responsabile dell effetto serra) 600 g di SO 2 (anidride solforosa responsabile delle piogge acide in quanto combinandosi con il vapore acqueo nell atmosfera dà origine all acido solforoso ed all acido solforico) 400 g di NOx (ossidi di azoto responsabili di infiammazioni all apparato respiratorio)