Bioarchitettura e risparmio energetico

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1 61_TER_gu_patana :18 Pagna 61 boarchtettura d F. Patana, A. Gaglano, F. Nocera, A. D Amco, A. Gales Boarchtettura e rsparmo energetco Il caso studo dell Unverstà Kore d Enna La normatva talana sulle rduzon de sum energetc negl edfc ad utenza cvle rchede l adozone n fase progettuale d nuove tecnologe per ottemperare alle prescrzon d legge ed ottmzzare l blanco energetco dell edfco da realzzare. Nel caso, però, d rstrutturazone e rqualfcazone del patrmono edlzo esstente la messa n opera delle nuove tecnologe d tpo mpantstco potrebbe produrre trast estetco- archtettonc l nvolucro edlzo preesstente alterando tradzonal canon dell archtettura classca. Ancora, mentre la presenza e la dstrbuzone spazale d superfc vetrate sulle faccate è una delle tecnche progettual adottate da progettst per una caratterzzazone archtettonca dell edfco medesmo, d verso tal motv archtettonc costtuso, per la loro bassa resstenza termca, sorgent d dsspazone energetca. L applcazone d tecnche boclmatche, qual ad esempo la serra solare, può rappresentare l gusto punto d compromesso fra le lmtazon energetche dettate dalla normatva e le esgenze estetco-archtettonche. Allo scopo d trovare quel gusto punto d tatto, progettst della rstrutturazone d un mportante edfco dell Unverstà Kore d Enna hanno sosttuto una parte dell nvolucro edlzo, costtuto da tradzonal materal da costruzone, una serra solare e cò al doppo scopo d avere da un lato un rsparmo energetco e dall altro d realzzare un motvo d prego archtettonco nell anonma faccata. Lo studo spermentale vuole llustrare, nel caso d ntervent d rqualfcazone d edfc utlzzazone prevalente durna una nuova metodologa d calcolo che permetta sa d valutare guadagn energetc ottenbl dall applcazone d serre solar ad nvolucr preesstent, sa l l forecastng de trend d temperatura ndoor generat dall applcazone. I rsultat d forecastng ottenut l metodo sono stat testat tramte campagne d msure spermental n stu ad operam edfcatam. La serra solare è un elemento dell nvolucro edlzo che caratterzza l solare passvo la cu utlzzazone energetca non abbsogna d apparecchature meccanche e, qund, non suma energa non rnnovable. Tale elemento vene realzzato tramte un volume delmtato da superfc trasparent alla radazone solare e addossato alle paret dell edfco esposte a SUD. Tale volume assolve sa la funzone d trollo de fluss termogrometrc, sa la funzone d tenmento de sum energetc degl edfc (Fgura 1). FIGURA 1 - Esempo d una serra solare La presenza della serra solare caratterzza un rsparmo energetco dovuto essenzalmente a tre fattor: - aumento dell solamento termco dell nvolucro edlzo; - rduzone de pont termc; - apporto d energa termca d orgne solare. L apporto gratuto al rscaldamento ndoor deve essere valutato rfermento alle varazon termche causate sa dall andamento clmatco stagonale che dal cclo gornalero. Nella progettazone del sstema bsogna però sderare attentamente le dnamche energetche causate dalla presenza della serra durante la stagone estva, al fne d evtare dscomfort per eccessvo rscaldamento dell ara ndoor, e non trascurare anche rsvolt estetc-archtettonc dovut all nsermento del nuovo volume nel testo dell edfcato. Il guadagno solare che può otteners tramte una serra solare può essere suddvso n quattro dstnte alquote (Fgura ): - radazone termca che raggunge l locale attraverso le superfc vetrate della parete d separazone tra l ambente da rscaldare e la serra ( sdg ); - radazone termca accumulata nella massa del setto d separazone tra la serra e l ambente da rscaldare ( smv ); - rduzone delle dsperson termche per effetto dell ara calda all nterno della serra ( sg ) - prerscaldamento dell ara d ventlazone ( sa ). Prof. Francesco Patana, ng. Antono Gaglano, ng. Francesco Nocera, ng. Antono D Amco, ng. Aldo Gales, Dpartmento d Ingegnera Industrale e Meccanca, Facoltà d Ingegnera dell Unverstà d Catana. La Termotecnca Gugno

2 61_TER_gu_patana :18 Pagna 6 boarchtettura W C W V W = capactà termca delle strutture opache tra la serra e l ambente da rscaldare; dt W /d = varazone d temperatura all nterno della parete; G Wsun = radazone solare assorbta dalla struttura d separazone e quella del pavmento della serra; A W = superfce della struttura d separazone e dal pavmento della serra; Q Wa = flusso termco scambato tra le paret d separazone e l ambente nterno; Q Wh = flusso termco scambato tra le paret d separazone e la serra solare. c) La rduzone delle dsperson termche ( sg ) può calcolars tramte: FIGURA - Tpologe d guadagno solare Nel presente artcolo s propone un modello semplfcato per l calcolo del guadagno solare ottenble. a) La radazone termca che raggunge l locale da rscaldare attraverso la fnestra d separazone la serra ( sdg ) può calcolars tramte sdg = G Gsun m Gw SGHC Gw (1) G Gsun = Radazone solare entrante attraverso le superfc vetrate della serra, calcolata tramte l equazone (); m Gw = A Gw /A G = rapporto tra la superfce vetrata della parete nterna e la superfce vetrata della serra solare; SGHC Gw = coeffcente d trasmssone solare della superfce vetrata della parete nterna o fattore solare G Gsun = H K A SGHC () SGHC = coeffcente d trasmssone solare della superfce vetrata della serra solare; A G = superfce vetrata della serra solare; H = radazone solare globale ncdente sulle superfc vetrate; K Gsh = coeffcente d ombreggamento della superfce vetrata della serra solare. Il coeffcente d trasmssone solare totale o fattore solare SGHC (Solar Heat Gan Coeffcent) è quel parametro che classfca l comportamento d un componente vetrato. Tale parametro ndca l guadagno solare ottenuto attraverso un sstema vetrato per untà d energa ncdente. Il fattore solare dpende dalla dstrbuzone spettrale, dalla drezone della radazone solare ncdente, dalle caratterstche ottche del sstema vetrato e da coeffcent d scambo termco superfcal. La norma UNI EN 83 [1], relatvamente al calcolo de guadagn solar, sdera gl effett della varabltà dell angolo d ncdenza della radazone solare medante un fattore correttvo l cu valore s pone par a 0,9 nel caso s effettuno valutazon energetche a cadenza mensle. b) La radazone termca accumulata che s accumula nelle strutture opache d separazone tra la serra e l ambente da rscaldare ( smv ) può calcolars tramte: smv ( Gsh G ) = W C V dt = A G + Q + Q d ( ) W W W W Wsun Wa Wh (3) sg = (A W *U sp ) (T a -T e ) (4) A W = superfce d scambo termco della parete d separazone serra solare/ambente da rscaldare; U sp = trasmttanza termca della parete d separazone; T a = temperatura dell ara all nterno del volume della serra solare; T e = temperature dell ara esterna. d) Il prerscaldamento dell ara d ventlazone ( sg ) sa = C a a V b (T ao -T e ) (5) V b = portata volumetrca dell ara d rcambo; a C a = capactà termca dell ara; T ao = temperatura della serra. Il guadagno solare complessvo s ottene dalla sommatora de trbut precedentemente elencat. Esol= sdg + smv + sb + sa (6) La valutazone de sngol trbut rchede la defnzone, oltre alla geometra del sstema, delle temperature de dvers component la serra solare (temperatura dell accumulo termco, temperatura della serra ecc.). Le temperature possono essere determnate tramte l equazone d servazone dell energa applcata a cascuno de component l sstema solare passvo. Tal equazon vengono esplctate n accordo le seguent potes d base: - La temperatura dell ara s mantene unforme sa all nterno del volume della serra solare che all nterno dell ambente da rscaldare; - Tutte le superfc vengono equparate a corp grg; - Nell equazone d blanco l ambente adacente alla serra s sdera termcamente solato. L equazone d blanco energetco per l ara all nterno del volume della serra qund può essere scrtta nella forma seguente: a acav dt a = AGGGsun AWGGWsun AGW d G (7) Wsun Qa Qae CaaVb( Tao Te) G Gwsun = alquota d rradazone trasmessa dalle superfc vetrate della serra, [MJ/h/m ]; G Wsun = alquota d rradazone solare assorbta dalle paret opache, [MJ/h/m ]; 6 La Termotecnca Gugno 007

3 61_TER_gu_patana :18 Pagna 63 boarchtettura Q a = fluss termc scambat tra la serra e l ara ambente, [MJ/h/m ]; Q ae = fluss termc scambat tra la serra e l ara esterna, [MJ/h/m ]. I termn relatv agl scamb d calore possono calcolars tramte la seguente espressone: Q aj = K j A j (T ao- T j ) (8) T ao = temperatura della serra T j = temperature degl ambent (nterno ed esterno) fnant la serra Modello proposto L mpego della serra solare rsulta partcolarmente effcace nel caso n cu la rchesta d energa per l rscaldamento è temporanea alla dsponbltà d energa solare, coè n ambent dove s preveda un utlzzazone prevalentemente durna (edfc scolastc, uffc ecc.). In tal cas, generalmente, potrebbe non essere necessara la funzone d accumulo termco eserctata dalla massa delle paret la cu sequenzale elmnazone faclterebbe la realzzazone della serra nel caso d edfc esstent. Nel caso d serre boclmatche, per le qual non sano prevste strutture d accumulo, l equazone (6) assume la seguente forma: C V In tale stuazone vengono ad essere sequenzalmente trascurat gl scamb termc radatv fra le superfc vetrate e le strutture opache nonché fra le strutture e la volta celeste. S trascura ancora l alquota d radazone solare assorbta dalle paret e dal pavmento della serra. L equazone (9), ntegrata durante l perodo d soleggamento durno per ntervall orar o rfermento ad un gorno tpo mensle, n funzone de dat dsponbl d radazone solare, fornsce l ncremento d temperatura dell ara all nterno della serra solare. T a a a ao dt a = AGGGsun AGWGGWsun d Ggsun + Ggwsun + Qar + Qae + Qa = C V a a a ( ) Q Q C V T T a ae a a b ao e (9) (10) T ao = dfferenza temperatura tra la serra e l ambente esterno nell ntervallo d ntegrazone. La temperatura meda dell ara all nterno della serra, nel perodo d ntegrazone è ottenuta dall espressone: T a = T ao + Te mn (11) Te mn = temperatura mnma dell ara esterna La relazone (11) s basa sull ulterore potes d sderare la temperatura dell ara all nterno della serra all nzo del perodo d soleggamento uguale alla temperatura dell ara esterna. Infne, n funzone della temperatura meda all nterno della serra, s potranno calcolare gl effettv guadagn solar utlzzando le espresson d calcolo precedentemente llustrate (6). La procedura d calcolo proposta s artcola attraverso seguent steps: FIGURA 3 - Panta e prospetto dell Aula Montessor 1 Calcolo della radazone solare ncdente sulle superfc della serra Calcolo delle ombre sulla vetrata 3 Calcolo delle radazone solare trasmessa attraverso le superfc della serra. 4 Calcolo della radazone solare trasmessa attraverso la superfce vetrata della parete d separazone 5 Calcolo de fluss termc scambat tra l ara all nterno della serra solare e gl ambent crcostant 6 Calcolo della temperature dell ara all nterno della serra solare tramte la (10) 7 Calcolo del guadagno solare 8 Calcolo della varazone della temperatura all nterno della serra. Anals spermentale del comportamento reale d una serra solare La metodologa d calcolo proposta è stata applcata alla serra solare realzzata nell ambto d un ntervento d rstrutturazone dell aula Montessor utlzzata per le attvtà ddattche della Lbera Unverstà Kore d Enna (Fgura 3). L aula ha una capenza d oltre 600 post una superfce d 545,00 m, altezza d crca 7,00 m. Le prncpal caratterstche termofsche della serra solare sono rassunte nella Tabella 1. Calcolo della radazone solare ncdente sulle superfc della serra La radazone solare ncdente sulle superfc della serra (H ) è stata ottenuta utlzzando la metodologa proposta dalla norma UNI 8477 [1]. L adozone d tale procedura d calcolo necessta de dat relatve a valor d radazone solare globale gornalera su superfce orzzontale (H h ). I valor della radazone solare su superfce orz- TABELLA 1 - Caratterstche della superfce vetrata Paret vertcal (= 90 ) Parete nclnata (= 90 ) Doppo vetro trattam. esterno Doppo vetro charo Telao m S vetro m SGHC Telao m S vetro m SGHC 10,65 39,00 0,56 5,50 40,6 0,86 La Termotecnca Gugno

4 61_TER_gu_patana :18 Pagna 64 boarchtettura zontale, relatv alla cttà d Enna, sono stat ottenut dalle norme Un nonché da dat fornt dall Enea [] [3]. Le prncpal espresson d calcolo utlzzate sono: H = RHh (1) H R (13) H R H d d 1+ cos 1 cos = 1 b + + h H h H d = radazone solare dffusa = lattudne del sto ( 37,1 ) = azmuth delle superfc vetrate (- 4 ) = angolo d nclnazone delle superfc vetrate (90, 30 ) = albedo (0,9) Rb = rapporto fra radazone gornalera ncdente su una superfce nclnata e su una superfce orzzontale Calcolo del coeffcente d ombreggamento Tramte l Sun tool dell Ecotect [4] sono stat calcolat sa gl angol azmutal effettv d alba e tramonto, sa l coeffcente d ombreggamento delle superfc (Tabella ). Calcolo del flusso solare trasmesso attraverso le paret delle serra Nel perodo d rscaldamento nvernale (Novembre/Aprle) sono state calcolate, tramte le relazon precedentemente ndcate, valor relatv alla radazone solare ncdente sulle superfc vetrate della serra solare. Nella Tabella 3 sono rassunt I prncpal dat d calcolo. Calcolo de guadagn solar e della temperatura dell ara all nterno della serra solare Le calcolazon sono state effettuate sderando le seguent dzon al torno: - La temperatura all nterno dell Audtorum, all nzo del perodo d attvazone del sstema, s sdera par a T = 0 C ed è ottenuta tramte l utlzzazone d un sstema d rscaldamento auslaro. - Non è prevsto prerscaldamento dell ara d ventlazone - K A = flusso termco scambato tra la serra e l Audtorum per salto termco untaro - Ke Ae = flusso termco scambato tra la serra e l ambente esterno per salto termco untaro - m Gw = A Gw /A G = 0,86 - Temperature dell ara esterna sderate par al valor medo gornalero mensle Te d - Temperatura dell ara all nterno della serra calcolate tramte la relazone: T ao = T a + Te mn Nella Tabella 4 sono rassunt prncpal rsultat d calcolo per tutto l perodo d rscaldamento prevsto. Le smulazon effettuate mostrano che la temperature meda dell ara all nterno della serra, nel perodo d soleggamento, non scende TABELLA - Valor del coeffcente d ombreggamento K Gsh ma sotto l valore d 19 C. Ne mes d novembre, marzo e aprle la temperature meda raggunge l valore d 6 C. Tale rsultato mostra la possbltà d utlzzare l calore n eccesso dsponble n tale perod per l prerscaldamento dell ara d ventlazone dell audtorum. In Fgura 5 sono stat comparat fabbsogn termc dell Audtorum (E aud ), nel perodo d occupazone ed guadagn solar ottenbl tramte la serra solare (E sol ). Il rsparmo energetco ottenble è stato valutato par a 13,00 MWht (479,00 GJ), valore che rappresenta per l ambente sderato crca l 66 % del fabbsogno globale. Tetto = 5,3% Paret frontal = 0,5% TABELLA 3 - Fluss solar mensl (MWh) H h H d H _(90) H _(30) G s_(90) G s _(30) Gen 5,6 3,3 7,1 7,4 3,65 5,9 Feb 7,7 4, 8,5 9,34 37,36 67,46 Mar 10,6 5,5 8,70 11,83 39,39 85,44 Apr 14,6 6,5 8,70 15,11 39,40 109,4 Nov 6,7 3,4 8,89 8,86 40,5 63,99 Dc 4,9 3,0 6,55 6,4 9,66 46,37 Calcolo della varazone orara della temperature all nterno della serra Vengono, ancora, proposte delle relazon semplfcate per l calcolo della temperatura orara all nterno della serra solare (T ao ). A tale scopo s suggersce l adozone delle seguent relazon [5]: T = T+ T1sen ( h ) + Tsen ( h ) 1 6 h = T max + h T mn (14) (15) h Tmax (mn ) = ora del gorno per la quale s verfca l massmo (mnmo) valore d temperatura TABELLA 4 - Guadagno solare e temperature all nterno della serra Mese Gen Feb Mar Apr Nov Dc G gwsun MWh/d 43,96 53,3 61,64 70,75 54,0 39,50 Te d 7, 7,9 9,8 1,6 1,5 8,8 T a 16,4 19,0,,8 0,1 15,8 Te mn,9,7 3,8 6,1 7,9 4,8 T ao 19,3 1,7 6,0 8,9 7,9 0,6 sg kwh/d 15,57 17,77 0,85 6,8 4,91 15,8 sol kwh/d 59,94 71,01 8,50 97,03 78,93 54,78 FIGURA 4 - Varazone delle ombre durante l gorno. 64 La Termotecnca Gugno 007

5 61_TER_gu_patana :18 Pagna 65 boarchtettura T T = 1 B tg B senb max + cos * T = T cos B 1 B = ht maxh 1 B cos ( T mn) Confront spermental (16) Il fronto fra rsultat delle smulazon effettuate ed rlevament spermental dott, sentano d valutare sa l attendbltà che l grado d accuratezza ottenble tramte la procedura d calcolo proposta. Ne due gorn del mese d gennao che offrvano dzon d celo sereno sono state effettuate msure d temperatura out-door, all nterno della serra, nell Audtorum ed n un ambente fnate non clmatzzato e non nfluenzato dagl effett termodnamc della serra solare. Durante la fase d montoraggo l mpanto d clmatzzazone è stato dsattvato al fne d rprodurre le dzon prevste nelle smulazon e d valutare l effettvo trbuto dervante dalla serra solare. La Tabella 5 e la Fgura 6 mostrano valor delle temperature msurate ne var ambent e ne dvers perod del gorno. Utlzzando dat clmatc regstrat dalla stazone d rlevamento meteo del SIAS [6] durant gorn d montoraggo e coè: temperatura dell ara esterna, ntenstà della radazone solare e copertura nuvolosa è stato possble determnare attraverso la procedura d calcolo proposte valor delle grandezze caratterstche del sstema solare. Nella Tabella 6 vengono rassunt valor ottenut. S nota che per l gorno D la temperatura calcolata per l ara all nterno della serra rsulta pù elevata rspetto TABELLA 6 - Guadagn solar al gorno D1, rsultato coerente sa le msure spermental sa fabbso- kwh/d kwh/d Day G gwsun Te d Te mn T a Ta E sol gn energetc rchest dall ambente. Infatt, per tale D1 95,49 6,5 3.0,3 5,3 15,7 gorno guadagn solar D 99,7 9,5 6,1 3,9 30,0 13,8 sono pù elevat rspetto alla dsperson termche dell audtorum per cu s produce un rscaldamento della temperatura ndoor superore del valore d set-pont stablto par a 0 C. Infne, sono state comparate le temperature msurate all nterno della serra (T meas ) e quelle calcolate (T pred ). Nella Fgura 6 vengono mostrat due SET d valor per due gorn d montoraggo. Le seguent poszon d calcolo sono state adottate: T = (Tao) med; Tmax = (Tao) med + Temn; ht max = 13h 30 ; ht mn = 7h 30. I rsultat ottenut dmostrano un ottma correlazone tra SET d valor n quanto le dfferenze sono sempre nferor ad 1 C e rentrano ne lmt d tolleranza d calcolo del modello proposto. FIGURA 5 - Confronto tra le temperature all nterno ed all esterno della serra (17) (18) FIGURA 6 - Varazon orare della temperatura TABELLA 5 - Temperature msurate Temperatura Temperatura Temperatura Serra solare T ao Amb. NR T cor Audtorum T ore 05/01 10/01 05/01 10/01 05/01 10/ ,5-14,0-17, ,5-14,9-0, ,5 6,0 1,0 16,1 1,5 3, ,5 8, 14,0 15,5,1 5, ,0 31,5 16,5 15,9,6 4, ,5 31, 17,0 16,5,5 4, ,5 8,0 17, 16,3,4 4, 16 30,0 3,5 16,5 15,0,1 3,4 Consderazon e proposte d rcerca Nel caso d rqualfcazone energetca del patrmono edlzo esstente l metodo proposto sentrebbe la defnzone d un ndcatore d venenza r C ottenuto attraverso la correlazone fra le dmenson della serra solare realzzable (A GH ),le superfc dsperdent dell ntervento n esame A e (A GH /A e ), la lattudne del sto (dzon annual d soleggamento) ed l guadagno energetco ottenble l ntervento. Tutt possbl valor dell ndcatore, nsert n un database, permetterebbero d predetermnare, per ogn ntervento prevsto, la venenza della realzzazone della serra solare nel raffronto fra guadagn energetc ottenbl ed l costo della realzzazone Nel caso studo llustrato e per lattudn tpche della Regone Scla, l rapporto r c fra dmensone della serra solare e le superfc dsperdent è rsultato essere r c =0,15. Con tale rapporto è stato possble asscurare, alla lattudne del sto, un reale soddsfacmento del 50-65% delle rcheste termche tramte la realzzazone della serra solare. Concluson La procedura d calcolo semplfcata proposta, testata dalle msure spermental, garantsce rsultat accurat ne lmt delle real applcazon tecnche. I rsultat ottenut dmostrano che, per tutto l perodo n cu è necessaro effettuare l rscaldamento ndoor, all nterno della sera s mantengono temperature maggor d quella d 0 C prevsta nel set pont. L apporto energetco della serra solare testata sente durante l perodo d rscaldamento d avere valor d fornture energetche gratute dell ordne del 50-65%. L enttà de rsparm energetc ottenbl ndca nell utlzzo delle serre solare un ottma soluzone per la rqualfcazone energetca del patrmono edlzo esstente. Bblografa [1] Normatva UNI [] S. Petrarca, F. Spnell, E. Coglan and M. Mancn, Proflo Clmatco dell Itala; Vol. 7 ENEA, [3] Normatva UNI [4] [5] A. Rogora, SISTEMI EDITORIALI 003, pag [6] www. regonescla.t/ sas [7] W. Chen and W.Lu. Solar Energy 76 (004), pag. 63. La Termotecnca Gugno