ILLUMINAZIONE NATURALE E RISCALDAMENTO PASSIVO

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI FACOLTÁ DI ARCHITETTURA Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ILLUMINAZIONE NATURALE E RISCALDAMENTO PASSIVO Docente: Ing. GIUSEPPE DESOGUS

2 La difficoltà più importante che bisogna affrontare quando si cerca di far interagire un organismo edilizio con la luce naturale è rappresentata dalla discontinuità e dalla non uniformità delle due fonti dell illuminazione naturale, vale a dire il sole e il cielo. Da un lato ciò è assolutamente positivo, perché la variabilità della luce naturale è ben tollerata dall occhio umano, anzi, è possibile affermare che l uniformità e l invariabilità nel tempo della luce artificiale producono alla lunga effetti psicologici pesantemente negativi sugli utenti. Dall altro lato però la variabilità dell illuminazione naturale costringe a pensare necessariamente dispositivi dinamici di regolazione che consentano di mitigare le variazioni anche notevoli nei valori di illuminazione naturale che si possono avere nell arco di una sola giornata. Un altro aspetto che è fondamentale tenere in considerazione nelle condizioni climatiche mediterranee è che l illuminazione naturale comporta necessariamente un carico termico dovuto all apporto solare. Gli elementi schermanti, di qualsiasi natura essi siano, intercettando il flusso termico, riducono anche l ingresso dell illuminazione naturale. 2

3 La radiazione solare incidente sulla superficie esterna di un edifico è composta da tre componenti, quella proveniente direttamente dal Sole, detta diretta, quella proveniente dalla volta celeste, detta diffusa, e quella riflessa dagli oggetti esterni (terreno, altri edifici), detta riflessa. L illuminamento di un punto interno ad un ambiente è scomponibile in tre componenti: l illuminamento conseguente alla luminanza della porzione di cielo vista attraverso le finestre, Ec, quello relativo alla luminanza dei diversi elementi di paesaggio esterno visti dal punto attraverso la finestra, ERE, e infine quello dovuta alle riflessioni multiple sulle superfici interne ERI. 3

4 Il fattore luce diurna è definito come il rapporto tra l illuminamento, E, che si realizza su di una superficie orizzontale posta all interno dell ambiente considerato grazie alla luce proveniente dalla volta celeste (non si considera la radiazione diretta proveniente dal sole), e quello che contemporaneamente si ha su di una superficie orizzontale posta all esterno senza alcuna ostruzione, E 0. η = E/ E 0 4

5 Il fattore luce diurna dipende da: area delle aperture finestrate; coefficiente di trasmissione nel visibile del materiale trasparente che costituisce le finestre; area dei diversi elementi che costituiscono l involucro e che sono presenti all interno del locale (pareti, pavimenti, soffitti, arredi, ecc.); coefficiente di riflessione nel visibile delle superfici dei vari elementi presenti all interno del locale; presenza di ostruzioni di qualsiasi genere, esterne od interne, che limitino la vista della volta celeste; stato di manutenzione delle superfici vetrate e delle superfici interne. 5

6 Scala puntuale del fattore di luce diurna Valore minimo, secondo la normativa italiana, del fattore di luce diurna medio di un ambiente in funzione della destinazione d uso η < 0,3% insufficiente 0.3% < η < 2% discreto 2% < η < 4% buono 4% < η ottimo Destinazione d uso Edilizia residenziale Valore minimo di η m η m 1% η m 2% η m 3% η m 5% Tutti i locali di abitazione Edilizia scolastica Uffici, connettivi, scale, servizi igienici Palestre, refettori, aule comuni Ambienti a uso didattico Aule giochi, aule nido Edilizia ospedaliera Uffici, connettivi, scale, servizi igienici Palestre, refettori Ambienti di degenza, laboratori, diagnostica 6

7 in cui, A i, è l'area della finestra i-esima; τ i, è il coefficiente di trasmissione luminosa del vetro (alcuni valori indicativi sono riportati sotto); r m, è il coefficiente di riflessione medio nel visibile delle superfici che costituiscono l involucro dell ambiente considerato; ε i, è il fattore finestra cioè il rapporto tra l'illuminamento sul baricentro della finestra e l'illuminamento su una superficie orizzontale liberamente esposta alla volta celeste, in altre parole il fattore di vista della volta celeste da parte della superficie della finestra, εi, tiene conto delle ostruzioni da parte di altri edifici o di altri elementi posti di fronte alla finestra; ψ i, è un fattore che tiene conto dell ombreggiamento indotto sulla finestra dall imbotte. Il fattore di riflessione medio r m si ottiene dalla media ponderata dei fattori di riflessione delle varie superfici, S i, dell ambiente. Alcuni valori indicativi del coefficiente di riflessione sono riportati sotto in funzione del colore delle superfici. Si utilizza la relazione: 7

8 Procedura di calcolo del fattore luce diurna 1. si individua il coefficiente di trasmissione nella banda della radiazione del visibile per il vetro utilizzato (τi) (tabella seguente) 2. si valuta l area della superficie vetrata di ciascuna finestra che si affaccia sull ambiente; 3. si misura l area delle superfici interne che delimitano l ambiente; 4. per ciascuna finestra del locale si valuta il rapporto: (H-h)/La (grafico seguente); 5. si riporta, sull asse delle ascisse del grafico relativo, il valore del rapporto così calcolato e si individua il punto corrispondente sull asse delle ordinate: esso rappresenta il fattore finestra ε; 6. calcolati i rapporti hf/p e lf/p e si trova sul grafico relativo, sulla curva relativa a lf/p, il punto da cui si traccia la retta orizzontale che individua sull asse delle ordinate il valore del coefficiente di riduzione ψ (grafico seguente); 7. si calcola r m a partire dagli ri (tabella seguente) 8. si calcola η m. 8

9 τi ri ri 9

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12 La presenza di schermature riduce i valori di luce diurna. Per apprezzarne l effetto non è sufficiente il calcolo proposto dalla normativa. Inoltre è fondamentale considerare la possibilità di modificare la schermatura in funzione delle esigenze di illuminazione. 12

13 La presenza di schermature riduce i valori di luce diurna. Per apprezzarne l effetto non è sufficiente il calcolo proposto dalla normativa. Inoltre è fondamentale considerare la possibilità di modificare la schermatura in funzione delle esigenze di illuminazione. 13

14 Per illuminare gli spazi più interni dei corpi di fabbrica è possibile canalizzare la luce 14

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16 Hong Kong and Shangai Bank Norman Foster Con l aumentare della profondità del corpo di fabbrica diventa difficile garantire l accesso all illuminazione naturale. 16

17 Sulla sommità dell atrio è collocata una fila di giganteschi specchi, parte di un innovativo sistema computerizzato che riflette la luce del sole nell atrio e fino a giù nella piazza. Il dispositivo esterno è composto, in corrispondenza del 12 piano, da 480 specchi controllati da un computer, mentre quello interno da altri 225 specchi in alluminio. 17

18 Cupola del Reichstag Norman Foster 18

19 Cupola del Reichstag Norman Foster 19

20 IL RISCALDAMENTO PASSIVO I requisiti dei sistemi passivi di riscaldamento sono riportati di seguito: L orientamento deve essere quello ottimale: ± 25 rispetto a sud. Orientamenti diversi diminuiscono la captazione solare in condizioni invernali e rendono problematica la schermatura in condizioni estive. Sono sempre preferibili superfici vetrate verticali. In questo modo sono facilitate la pulizia e la manutenzione. È possibile inclinare i vetri in maniera tale da renderli perpendicolari in inverno alla direzione dei raggi solari, aumentando l efficienza del dispositivo. In estate però il rischio di surriscaldamento è maggiore. I vetri collettori sono sempre una fonte di dispersione termica, nel momento in cui non sono colpiti dalla radiazione. Per questo motivo è necessario disporre degli elementi isolanti mobili per limitare la dispersione in inverno di notte e durante le giornate coperte. Le caratteristiche del vetro influenzano notevolmente l efficacia dell intero dispositivo. L ideale sono i vetri con un alto fattore di guadagno solare (g), una bassa trasmittanza (U) ed a bassa emissività. Le schermature sui sistemi solari passivi devono essere solamente quelle progettate, la presenza di ostacoli (edifici circostanti) ne limita pesantemente il rendimento. Vetri riflettenti utilizzati per ragioni estetiche diminuiscono l efficacia dei dispositivi. La manutenzione e la pulizia dei dispositivi sono fondamentali, è necessario quindi che questi siano accessibili anche dall esterno. La colorazione delle superfici captanti deve essere sempre scura. In condizioni climatiche calde durante la stagione estiva deve essere impedito il funzionamento dei dispositivi. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO PASSIVO. 20

21 IL RISCALDAMENTO PASSIVO Il sistema più semplice per riscaldare passivamente un edificio è quello di realizzare superfici trasparenti che di inverno ricevono la radiazione solare. Questo sistema però può avere delle controindicazioni anzitutto in estate, perché può provocare surriscaldamento, e in particolari situazioni (rumori esterni, sicurezza, rispetto della privacy). In questo caso è possibile ricorrere a dispositivi appositi per captare la radiazione solare e moltiplicarne gli effetti. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO PASSIVO. 21

22 IL RISCALDAMENTO PASSIVO Un sistema più articolato è quello del muro ad accumulo termico che risolve il problema dell eccessiva trasparenza dell involucro. Anche in questo caso è fondamentale la protezione durante la notte, che può fungere anche da schermatura solare durante l estate. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO PASSIVO. 22

23 IL RISCALDAMENTO PASSIVO Il muro di Trombe si differenzia da quello ad accumulo perché è dotato di bocchette per la circolazione dell aria che innescano uno scambio di calore per convezione fra l aria e le superfici calde che aumenta la prestazione complessiva. D altro canto è però fondamentale che queste bocchette rimangano chiuse durante la notte in inverno e sempre durante l estate. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO PASSIVO. 23

24 IL RISCALDAMENTO PASSIVO Il pannello captatore è un evoluzione del muro di Trombe che si realizza inserendo all interno dell intercapedine vetrata un pannello assorbente in materiale basso-emissivo, simile a quelli utilizzati per i collettori solari per l acqua calda sanitaria o per il riscaldamento. Il pannello basso emissivo ha un elevato coefficiente di assorbimento per la radiazione solare, ma la sua bassa emissività riduce l irraggiamento verso l intercapedine e l ambiente esterno facendone aumentare la temperatura. Anche in questo caso le bocchette devono essere attentamente utilizzate per evitare funzionamenti indesiderati. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO PASSIVO. 24

25 IL RISCALDAMENTO PASSIVO Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO PASSIVO. 25

26 IL RISCALDAMENTO PASSIVO La serra solare è un elemento costruttivo molto diffuso nell architettura dei paesi europei più freddi. La sua caratteristica è quella di non essere solamente un sistema di accumulo del calore, ma un vero e proprio ambiente dinamico che costituisce un importante spazio tampone fra interno ed esterno. Nelle condizioni climatiche mediterranee la sua efficacia è discutibile in quanto si rischia un eccessivo surriscaldamento durante la stagione estiva. Si possono raggiungere temperature elevate soprattutto se la serra non è dotata di un efficace sistema di schermatura ed di un adeguata ventilazione naturale. In particolare sono sempre da evitare superfici vetrate zenitali. Una strategia molto efficace per mitigare il clima nella serra è quella di renderla uno spazio completamente apribile. In questo modo si annulla l effetto serra e si crea uno spazio adattabile fruibile sia durante l inverno che l estate. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale RISCALDAMENTO PASSIVO. 26