ARCHITETTURA BIOCLIMATICA

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1 ARCHITETTURA BIOCLIMATICA

2 Energia consumata da edifici per riscaldamento, climatizzazione, illuminazione, impianti (40% consumo energia primaria) Architettura bioclimatica Risparmio energetico Riduzione inquinamento ambientale

3 Tipo di consumo energetico : Edifici ed alta dispersione termica; (edifici costruiti fino a ieri senza alcun vincolo di coibentazione della struttura). Edifici a bassa dispersione termica; (edifici costruiti secondo criteri di coibentazione) Edifici a basso consumo energetico; (edifici poco diffusi, dotati di sistemi solari passivi ed attivi e di un impiantistica evoluta) Edifici energeticamente autonomi. (esistono solo come prototipi che utilizzano unicamente fonti rinnovabili e tecnologie costruttive d avanguardia)

4 Che cos è l architettura bioclimatica? Architettura finalizzata al raggiungimento del comfort ambientale interno limitando al minimo l intervento di impianti. Minimizza consumi energetici necessari per climatizzazione (riscaldamento, condizionamento estivo ed illuminazione diurna). Limitazione inquinamento ambientale. affidamento a struttura, a conformazione fisica dell edificio, al suo orientamento e contesto climatico di captare o rinviare le radiazioni solari e di sfruttare il microclima locale per ottenere il comfort ambientale.

5 Attiva (si intendono tutte le applicazioni nell energia termosolare e fotovoltaica ) Energia solare nell architettura bioclimatica (strategie d intervento diverse a seconda della zona ) Passiva ( energia usata senza ausilio motorizzato e distribuita grazie a fenomeni naturali)

6 Collettore solare Solare attivo calore Sistema immagazzinamento Circolazione mediante pompe o ventole

7 Collettore di radiazione solare ( superficie vetrata disposta sul lato sud o sul tetto ) Assorbitore ( superficie scura opaca posizionata dietro il vetro ) Solare passivo Solare passivo Accumulo ( materiali con elevata capacità termica, accumulano calore sensibile o latente rimettendolo nell ambiente) Sistemi di controllo (regolano flussi di energia termica tra interno ed esterno, riducendo perdite di carico)

8 Differenze sistemi solari passivi Collocazione subsistema di captazione (su parete, in copertura, sotto il livelllo di utilizzo ) Tipo di trasporto da sistema captazione/distribuzione all ambiente < diretto; < indiretto; < isolato.

9 Sistema guadagno diretto Trasporto senza interposizione di elementi (scambio termico per irraggiamento). Subsistema captazione e distribuzione integrati nello stesso componente. Entrata radiazione solare direttamente nell edificio attraverso superfici vetrate a sud ed aperte sull ambiente l interno, con masse di accumulo termico.

10 Tecnologia costruttiva dei sistemi a guadagno diretto Come qualsiasi costruzione edilizia (soprattutto serramenti esterni); un attenzione particolare alla finestra solare inclinata rispetto alla posizione verticale quasi sempre sostituita alla finestra solare verticale. Prestazioni richieste Raggiungimento comfort in breve tempo Mantenimento comfort a lungo

11 Sistema guadagno indiretto Interposizione di elemento tecnico opaco ( parete stessa ), supportante da subsistema di captazione, con scambio attraverso bocchette ( nel muro Trombe-Michael o serra d accumlo) o condotte in controsoffitto ( camino solare). parete ad accumulo ( esterna, a sud, scura,elevata inerzia termica) Utilizzo di due applicazioni: parete ad accumulo ( aperture in basso e in alto, con correnti d aria )

12 Principali sistemi indiretti: < Muro termico; < Muro Trombe Michel; La figura sopra illustra un muro termico. < Serre; <muro d acqua; <roof pond. La figura sopra illustra il muro Trombe-Michael.

13 Muro termico Parete e/o solaio a sud che fanno da accumulo. Calore trasmesso per conduzione con un certo ritardo, e ceduto per convezione e irraggiamento all ambiente interno.

14 muro trombe Tecnologia costruttiva Accumulatore termico (elemento murario verticale valido anche staticamente ) rivolto a sud e dinanzi a esso una vetrata per avere l effetto serra. Trasferimento calore per conduzione e termocircolazione naturale grazie alle aperture. Prestazioni richieste Energia termica che attraversa il muro per conduzione è trasmessa al vano abitato per irraggiamento o convezione.guadagno e sfasamento onda termica dipendono da: spessore, coefficiente di conducibilità, calore specifico. Può fungere anche da camino solare nella stagione estiva. Caratteristiche positive:assenza abbagliamento, bassa escursione termica, ritardo onda termica. Caratteristiche negative:basso rendimento, extra- costo, problemi per accedevi per pulire, è superficie opaca, quindi niente illuminazione naturale.

15 Serre Vetrata a sud, avente massa di accumulo nella parete di separazione. Tecnologia costruttiva Sostanzialmente di un serramento, generalmente metallico. Prestazioni richieste Può essere spazio abitabile, ma con forti variazioni di temperatura o collettore. Caratteristiche positive:spazio cuscinetto, migliora prestazioni termiche, coltivazione piante Caratteristiche negative:costo elevato, sistemi di controllo laboriosi, fenomeni condensa, indici urbanistici.

16 Muro ad acqua Tecnologia costruttiva: Simile a muro Trombe; accumulatore costituito da massa d acqua, perciò isotermico. Caratteristiche positive:entrata in regime rapidamente, minore dispersione termica notturna. Caratteristiche negative: non è elemento strutturale, perdite dai contenitori, non si possono appendere quadri o altro.

17 Roof Pond Tecnologia costruttiva: Massa termica ( contenitori d acqua ) poggia direttamente sui solai. Stagione fredda >acqua accumula energia termica di giorno che trasmette all interno;di notte pannelli termoisolanti ricoprono i contenitori. Stagione calda >pannelli chiusi di giorno ma aperti di notte. Caratteristiche positive: climatizzazione in inverno ed estate, temperatura uniforme, nessun abbagliamento, uso indipendente dall orientamento. Caratteristiche negative:climatizzazione un solo piano, non usato per latitudini medie ed alte, uso di alcuni tipi di solai, non perfetta tenuta dei contenitori, manovra dei pannelli laboriosa.

18 Sistema guadagno isola Sistema guadagno isolato Non c è comunicazione diretta tra subsistema di captazione/distribuzione e ambiente,bensì vi è scambio termico con reirraggiamento e per movimentazione d aria Superficie di captazione separata dall accumulo,trasferimento tra esse del calore è per termocircolazione naturale. > Sistema a termosifone ( lastra vetrata ); > Sistema Barra Costantini (collettore a sud:riscaldamento attraverso aria convogliata in condotti,determinando la termocircolazione naturale con trasferimento del calore dal collettore all accumulo e all ambiente interno ). La figura illustra un sistema Barra-Costantini.

19 Sistema a termosifone Tecnologia costruttiva: Collettore (vetrata) all esterno; circolazione d aria in modo naturale. Più grande superficie collettore, più aria calda;da isolare di notte. Caratteristiche positive: nessun abbagliamento, installazione indipendente dall orientamento, applicazione a fabbricati preesistenti, dispersioni termiche di notte minori. Caratteristiche negative:circolazione inversa, accumulo energia aria calda meno efficace, collettore più basso dell accumulatore termico.

20 Barra-costantini Collettore su facciata sud;aria riscaldata, attraverso condotti nel soffitto, riscalda ambiente interno, determinando una termocircolazione naturale. Tecnologia costruttiva: Captazione: su parete sud,avente lastra esterna, intercapedine (con lastra metallica scusa verso il sole), massa muraria isolata termicamente.trasferimento per moti convettivi. La figura illustra un sistema Barra-Costantini. Caratteristiche positive:flessibilità adattamento, efficiente conversione energia, climatizzazione anche vani non adiacenti. Caratteristiche negative: complessità realizzazione parete, solai particolari.

21 Differenza sistemi Trombe Michel / Barra Costantini Nel primo accumulatore in prossimità della parete esterna, nel secondo sul soffitto Barra Costantini adatto a funzionameto continuo ( ambienti residenziali ) ma complesso per cui poco usato ( edifici con limitato numero di piani ) Trombe Michel facilmente adattabile Entrambe usati per raffrescamento estivo ( aria pulita dal pozzo freddo, camino solare funge da pompa naturale più schermature esterne ). Il mancato uso del camino lascia agli alberi il compito.

22 Criteri di progettazione dell architettura bioclimatica Contenimento consumi energetici attraverso : 1) Conservazione energia ( isolamento, grado controllo fenomeni condensa, ponti termici, infiltrazioni/ricambi d aria ); 2) Riscaldamento solare passivo ( sistemi diretti, indiretti, isolati ); 3) Raffreddamento solare passivo ( protezione dall irraggiamento, inerzia termica, raffreddamento per ventilazione, irraggiamento notturno ed evaporazione ); 4) Illuminazione naturale ( posizione e dimensionamento superfici trasparenti, sistemi di riflessione e/o canalizzazione della luce ); 5) Integrazione negli edifici di sistemi energetici innovativi.

23 1) Conservazione dell energia Tecniche utilizzate : < Utilizzo materiali isolanti; < controllo guadagno solare ( schermi fissi, mobili, vegetazione ).

24 Materiali isolanti In inverno l energia deve essere intrappolata riducendo le dispersioni di calore all esterno ( isolanti termici in pareti, finestre, copertura a diretto contatto con esterno, solai, buoni serramenti e utilizzando superfici vetrate a sud )e in estate la casa deve essere protetta dal sole ( alberi ) e si sfruttano le correnti d aria fresca della notte. sistemi: Vetrate a bassa conduttanza termica; Schermi isolanti.

25 - Vetro con più strati; (migliora proprietà isolante) - Vetro con intercapedine riempito di anidride carbonica con superficie selettiva; (il gas riduce dispersione termica, la superficie riflette la radiazione termica) - Vetro a basso contenuto di ferro; (trasmittanza più alta e più costosi) - Materiali trasparenti a trasmittanza variabile; (cambiano trasmittanza per effetto di luce, calore e campo elettrico) - Polimeri sotto forma di film trasparenti; (trasmittanza alta. Molti però sono trasparenti alle radiazioni, non sono rigidi, infissi costosi) - Isolamenti mobili; (quando manca luce solare diretta. Tende o scuretti. Creano camera d aria ma sono lenti per aprire e chiudere)

26 Esempio isolamento mobile

27 Controllo guadagno solare (controllo infiltrazioni e recupero calore dai ricambi d aria) Schermi solari (in contrasto però con l ombreggiamento) Sistemi: -schermi fissi; -schermi mobili; -vegetazione.

28 Schermi fissi Schermatura efficace orizzontale (se finestre esposte a sud) Dispositivi: Aggetti; Frangisole. Difetto: riduzione illuminazione naturale.

29 Schermi mobili Dispositivi: Tende, schermi, persiane, scuretti. Schermi interni meno efficaci degli esterni (meno costosi; luce non riflessa, ma per questo sono chiari

30 Vegetazione Usata come schermo va evitata, però, in zone con limitata radiazione invernale perché costitisce una riduzione permanente)

31 2) Riscaldamento solare passivo Ottenuto sfruttando irraggiamento e meccanismi naturali Il riscaldamento si ottiene attraverso: I) Captazione e trasferimento dell energia;( ampie finestrature con sistemi di oscuramento automatizzato, serre a ridosso della parete perimetrale ) II) Distribuzione del calore (bocchette di ventilazione, condotti dei controsoffitti;) III) Accumulo energia. Figura 1: giusto Figura 3: giusto Figura 2: giusto Figura 4: giusto

32 3) Raffrescamento passivo (dato da ventilazione naturale, schermatura, espulsione calore indesiderato) Riscaldamento globale aumento utilizzo impianti di condizionamento (annulla politiche per la conservazione dell energia e trattato di kyoto) Soluzione : raffrescamento naturale ( climatizzazione estiva ) attraverso - protezione irraggiamento solare; - inerzia termica sistemi raffreddamento per ventilazione. Tecniche: Utilizzo di condotte d aria interrate, camini solari, buona massa termica, ventilazione indotta, protezioni irraggiamento diretto, deumudificazione.

33 Principali tecniche: < Raffrescamento ventilativo ( realizzato con aria a temperatura più bassa di quella dell ambiente da raffrescare );la ventilazione dà luogo al raffrescamento tramite correnti d aria (influenzate dal vento) ed effetto camino ( influenzato dall altezza degli ambienti o di torri del vento,tipo quelle iraniane, camini solari) Effetti positivi: riduzione consumi, riduzione emissioni inquinanti e rischi di inquinamento biologico. < Raffrescamento da terreno ( diretto o indiretto ) <Raffrescamento evaporativo ( basato su sottrazione del calore dell aria immessa in un ambiente, che evapora passando in bacini, canali, serpentine o su getti nebulizzati d acqua) Torri evaporative: di forma conica, alte 30 m, aventi sulla sommità spruzzatori d acqua che, a seguito dell evaporazione, raffreddano l aria nella torre e, aumentando la densità, scende raffreddando l aria del sottostante spazio esterno. < Raffrescamento radiativo (attuato per dispersione notturna del calore trasportato da un fluido, tramite pannelli radianti rivolti al cielo) Siviglia: torri evaporative

34 4) l illuminazione Luce naturale migliore ( ottima percezione colori, contrasto, luminanza ) rispetto a quella artificiale. Sfrutta luce solare diretta e quella diffusa dalla volta celeste Per incrementare luminosità e favorire penetrazione della luce sono importanti condotte di luce, capacità di diffusione luminosa dei materiali. il flusso solare incidente, ad esempio in un metro quadrato di finestra, è dell'ordine di alcune decine di migliaia di lumen, quanto basterebbe, se opportunamente distribuito, ad illuminare varie decine di metri quadrati di superficie di lavoro (i livelli di illuminazione richiesti sul piano di lavoro vanno da un minimo di 100 lumen/m² per le aree di servizio ad un massimo di 1500 lumen/m² per le attività di alta precisione).

35 5) integrazione negli edifici di sistemi energetici innovativi Utilizzazione sistemi fotovoltaici (un modulo produce energia elettrica, calore, protegge dall irraggiamento e usato anche al posto di vetrate )

36 Svantaggi dell energia solare Problemi tecnici ed economici legati a bassa densità energetica della fonte solare e rendimenti contenuti; inoltre elevati costi (silicio di buona purezza) e discontinuità ( dovuta all alternanza del giorno e della notte, delle stagioni e delle condizioni meteorologiche ) Necessario utilizzo sistemi di accumulo integrati a impianti che utilizzano altre fonti energetiche Nelle figure si riportano due esempi qualitativi di funzionamento del sistema integrato solare-passivo-tradizionale:lo schema A presenta una richiesta di integrazione del sistema tradizionale di riscaldamento ( area tratteggiata ) maggiore di quella del sistema dello schema B in cui il sistema solare passivo rende energeticamente autonoma l unità abitativa dalle 11 del mattino alle 21 di sera.

37 Svantaggi solare passivo Discontinuità ( natura ciclica del sole ) anche se riesce a prolungare dopo il tramonto l influenza sulle condizioni climatiche interne agli ambienti che serve. Necessità di integrare il sistema solare passivo con quello tradizionale. Schema di funzionamento base del sistema solare passivo ( notte e giorno, in inverno ed in estate)

38 Tavola riassuntiva di alcune soluzioni tecniche <serra; <muro Trombe-michel; <atrio; <torre del vento; <parete ventilata; <sistemi di protezione dall irraggiamento; <pompa di calore; <isolamento trasparente; <doppia pelle; <barriera radiante; <parete che respira; <tetto solare.

39 La serra Definita anche giardino d inverno, veranda, spazio tampone garantisce grande risparmio economico. Capta, accumula energia sotto forma di calore (grazie all effetto serra) e, attraverso un sistema di accumulo fornisce riscaldamento.

40 Muro Trombe - Michel Captazione da vetrata sul lato esterno distanziata, mediante intercapedine d aria, da una parete scura che accumula calore e lo distribuisce con circolazione termosifonica. Variante di questo sistema è il Barra Costantini (detto anche camino solare) dove tra vetro e muro esistono due intercapedini con interposto tra loro uno strato assorbitore (lastra metallica)

41 Atrio Apporta luce e ventilazione naturale e, se esposto a sud, anche guadagno solare passivo

42 Torre del vento Sistema che sfruttando la ventilazione naturale apporta un raffrescamento naturale nelle regioni a clima secco. Le prestazioni dipendono dall altezza, configurazione planimetrica, orientamento torre, localizzazione aperture. Funzioni svolte: - Migliore qualità aria interna; - Benessere termico; - Raffredda masse strutturali; - Eliminazione aria calda interna.

43 Parete ventilata Consistente nel passaggio dell aria all interno dell intercapedine posta tra due vetrate (parete esterna), è usato per evitare il surriscaldamento degli edifici ampiamente vetrati. Vantaggi: - Riduzione trasmittanza; - Aumento dei livelli naturali di comfort; - Diminuzione temperature relative in estate; - Possibilità recupero calore in inverno.

44 Sistemi di protezione dall irraggiamento solare Impiegati per evitare l ingresso di elevate quantità si luce e calore e per regolare il microclima interno, assumono vari denominazioni come brise soleil, veneziane, scuri, ecc..

45 Pompa di calore Anche se per il suo funzionamento necessita di energia (elettrica o gas), consente un buon risparmio energetico. Utilizzata per riscaldare, raffrescare e climatizzare gli ambienti, preleva energia dall esterno per trasmetterla all interno tramite aria o acqua.

46 Isolamento trasparente Costituito da vetri multipli, con prestazioni termiche, capacità di trasmissione della luce e isolamento termico, elevate

47 Doppia pelle Parete altamente isolata, con due strati diversi di componenti e un intercapedine d aria (ampia zona talvolta vuota e praticabile) che consente il riparo dalle condizioni esterne allo strato più interno. Vantaggi: Miglior isolamento termico e, in inverno, genera accumulo interno che trasmette con ritardo

48 Barriera radiante Costituita da pannelli metallici posizionati in zone strategiche che, assorbendo un elevato flusso di radiazioni termiche, raffreddano gli ambienti da cui viene tolto il calore. Utilizzato in estate per raffrescare e in inverno per riscaldare attraverso fluido termoconvettore (aria o acqua)

49 Parete che respira Adattabile per l involucro degli edifici, fornisce sempre il giusto comfort igrotermico. Consente all aria e al vapore di diffondersi lentamente attraverso l involucro (come se il muro fosse più un filtro che solo una barriera impermeabile). Si utilizza anche il tetto come parete che respira.

50 Tetto solare Superfici riflettenti aventi speciale inclinazione, assorbenti, vetrate che consentono l ingresso diretto della radiazione solare. Funziona come collettore termico in inverno e come accorgimento rinfrescante in estate.

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