La radiazione solare Utilizzo, selettività e schermi

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1 Laboratorio Integrato di Progettazione Tecnica e Strutturale - IMPIANTI TECNICI (prof. Andrea Frattolillo) La radiazione solare Utilizzo, selettività e schermi Prof. A. Frattolillo andrea.frattolillo@unica.it

2 Il Sole è praticamente la sola sorgente di energia per la Terra La potenza radiante uscente è GW!!! > volte la domanda di energia 100 L petrolio nelle lat centrali 230 L petrolio nelle zone desertiche

3 La massa d aria m Rapporto tra il cammino della radiazione solare nell atmosfera ed il minimo cammino entrando perpendicolarmente dallo zenith m = 0 fuori l atmosfera m = 1 Sole allo zenith m = 2 angolo di 30 A livello del mare e pressione standard p 0 m=[senb+0.15(3.885+b ) ] -1 m=[1.229+(614senb ) 2 ] senb Al crescere della quota z, m si riduce con la pressione m(z)=m z=0 p(z) / p

4 La costante solare C L irradiamento integrale su di una superficie piana unitaria, orientata ortogonalmente ai raggi solari Decresce con il quadrato della distanza dal suolo, assumendo: C = 1353 (1372) ± 3% W/m 2 al limite superiore dell atmosfera terrestre il valore medio C 1000 W/m 2 Sulla superficie terrestre alle 12 con cielo sereno 4/28

5 La costante solare C La radiazione spettrale solare presenta sulla superficie terrestre (m=1), rispetto ad m=0, numerose buche Esse sono causate dall assorbimento del pulviscolo atmosferico, del vapore acqueo, dalle molecole d aria e dalla riflessione nello spazio Il 99% della radiazione ha 0,15 < < 4 mm max = 0.5 mm = mm Radiazione del visibile 5/28

6 La costante solare C = mm Radiazione del visibile 6/28

7 Selettività dell atmosfera La quantità e la distribuzione spettrale della radiazione solare, oltre che dalla distanza Terra-Sole, dipende anche dai fenomeni di diffusione ed assorbimento nell atmosfera Un corpo ombreggiato non è mai al buio per effetto della radiazione diffusa Una superficie inclinata può ricevere radiazione riflessa dal terreno, da specchi d acqua o da altre superfici orizzontali 7/28

8 Selettività dell atmosfera Le proporzioni di tali radiazioni dipendono: - dalle condizioni meteorologiche - dall inclinazione della superficie rispetto all orizzontale - dalla presenza di superfici riflettenti 8/28

9 Selettività dell atmosfera Lo spessore di atmosfera attraversata dipende dall inclinazione della radiazione solare 9/28

10 Selettività dell atmosfera Lo spessore di atmosfera attraversata dipende dall inclinazione della radiazione solare 10/28

11 Dati di progetto: mappe isoradiative 11/28

13 Selettività dell atmosfera La posizione ottimale si ha con superficie orientata a Sud massima radiazione captata nella giornata 13/28

14 Selettività dell atmosfera e con angolo di inclinazione pari alla latitudine minime variazioni dovute alle oscillazioni 14/28

15 Selettività dell atmosfera All aumentare dell inclinazione della superficie aumenta la componente riflessa e diminuisce la componente diffusa L inclinazione corrispondente alla massima radiazione raccolta pertanto dipende dalla località Dq = 10 DH 3% 15/28

17 Dati di progetto: mappe isoradiative E difficile da tali mappe distinguere la radiazione diffusa da quella diretta E possibile comunque notare come: - località lontane sulla costa sono assai simili - località vicine ma in altitudini diverse presentano caratteristiche di irraggiamento diverse 17/28

18 Dati di progetto: carte dei percorsi solari Particolarmente utili per la determinazione degli effetti di ombreggiamento di ostacoli (edifici, alberi, montagne, ecc) 18/28

19 Dati di progetto: carte dei percorsi solari La posizione viene individuata mediante la misura degli angoli di azimuth g e di elevazione solare b 19/28

20 Dati di progetto: carte dei percorsi solari In Italia si hanno regimi solari medio alti, con forti variabilità tra le regioni continentali e e quelle meridionali Insolazione giornaliera media Udine 3.2 kwh/m 2 Trapani 4.7 kwh/m 2 Scostamento 47 % 20/28

21 Misura dell irraggiamento solare PIRANOMETRI Misurano la radiazione globale incidente sugli elementi sensibili (in genere orizzontalmente) Le due semisfere di vetro hanno la duplice funzione di protezione radiativa, meccanica e termica Può essere dotato di anello schermante la sola radiazione diretta I piranometri più diffusi: Moll-Gorgzynski (termopila con giunti caldi esposti e freddi schermati) Eppley (termopila connessa ad anelli d argento bianchi e neri concentrici) Robitzsch (lamine di materiale e colore diverso connesse ad una punta scrivente) 21/28

22 Misura dell irraggiamento solare La superficie sensibile della termopila è coperta con vernice nera opaca che permette al piranometro di non essere selettivo alle varie lunghezze d onda. E = ddp/s [W/m 2 ] Sensibilità 10 mv/(w/m 2 ) Campo di misura W/m 2 Campo di vista 2p sr Il campo spettrale del piranometro è determinato dalla trasmissione delle due cupole in vetro tipo K5, aventi lo scopo di garantire un adeguato isolamento termico della termopila dal vento, dalla polvere (che depositandosi sulla parte annerita ne potrebbe modificare la sensibilità spettrale) e per ridurre la sensibilità all irradiamento termico. L energia radiante è assorbita dalla superficie annerita della termopila, creando così una differenza di temperatura tra il centro della termopila (giunto caldo) ed il corpo del piranometro (giunto freddo). La differenza di temperatura tra giunto caldo e giunto freddo è convertita in una ddp grazie all effetto Seebeck. 22/28

23 Misura dell irraggiamento solare PIRELIOMETRI Misurano la radiazione solare diretta incidente su di un angolo solido ristretto Deve essere dotato di sistema di puntamento Pireliometro a compensazione elettrica di Angstrom ELIOFANOGRAFI Registrano l incidenza dell energia raggiante incidente senza darne l intensità L elemento sensibile è un foglio di carta annerito dalla radiazione incidente concentrata su di esso da una lente sferica ( 5 ) Esistono formule di conversione dalla durata media mensile di insolazione ai valori medi mensili di energia raggiante su superficie orizzontale 23/28

24 Il calcolo della radiazione solare incidente

25 Il calcolo della radiazione solare

26 Il contibuto solare secondo UNI TS 11300/1 ove Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad elementi esterni per l'area di captazione solare effettiva della superficie k esima, ottenibile da UNI/TS 11300/1 Asol,k area di captazione solare effettiva della superficie k esima con dato orientamento e angolo d'inclinazione sul piano orizzontale [m 2 ], la cui metodologia di valutazione per componenti trasparenti dell involucro è completamente diversa da quella per componenti opachi Isol,mn,k irradianza solare media giornaliera (media effettuata su base mensile) incidente sulla superficie k esima, con orientamento e angolo d'inclinazione sul piano orizzontale assegnati [W/m 2 ]

27 Il fattore Isol,mn,k irradianza solare media giornaliera Irradianza [W/m 2 ]: potenza radiativa incidente (istantaneamente) sull unità di area della superficie irradiata Irradiazione [MJ/m 2 ]: energia radiativa incidente sull unità di area della superficie irradiata durante un periodo di riferimento (ad es. 24 ore) Irradiazione giornaliera media mensile: energia radiativa incidente sull unità di area della superficie irradiata durante le 24 ore, mediata su tutti i giorni del mese considerato Irradianza media giornaliera [W/m 2 ]: potenza radiativa mediamente incidente sull unità di area della superficie irradiata nel corso delle 24 ore, calcolata come il rapporto tra l irradiazione giornaliera (media mensile) e la durata di un giorno La norma riporta dati di irradiazione solare giornaliera media mensile al suolo, sul piano orizzontale, per tutti i capoluoghi di provincia italiani, distinguendo tra irradiazione diretta e diffusa. Riporta inoltre l irradiazione totale (diretta + diffusa) su piani verticali variamente orientati (S, SE, E, NE, N, NO, O, SO). Per orientazioni non contemplate si interpola, oppure si utilizza la norma UNI/TR

28 Il fattore Isol,mn,k irradianza solare media giornaliera

35 Il fattore Isol,mn,k irradianza solare media giornaliera UNITR Calcolo Apporto Energia Raggiante Per Edifici

36 Il fattore Asol,k area di captazione solare effettiva

37 Il fattore coefficiente di assorbimento Contrariamente all emissività, il coefficiente di assorbimento di un materiale risulta praticamente indipendente dalla temperatura della superficie, ma dipendente dalla temperatura della sorgente Il coefficiente di assorbimento di un tetto in cemento di un edificio è circa 0,6 per la radiazione solare (5762 K) e 0,9 per radiazioni provenienti da alberi e edifici circostanti.

38 Il fattore coefficiente di assorbimento

39 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Fsh,ob può essere calcolato come prodotto dei fattori di ombreggiatura relativi ad ostruzioni esterne (F hor ), aggetti orizzontali (F ov ) e aggetti verticali (F fin ): I valori dei fattori di riduzione per ombreggiatura dipendono da: latitudine clima periodo considerato orientamento dell'elemento ombreggiato caratteristiche geometriche degli elementi ombreggianti Tali caratteristiche sono descritte da un parametro angolare,

40 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Fattore di ombreggiatura relativo ad ostruzioni esterne (F hor ) Esempi: edifici prospicienti, rilievi, vegetazione, ecc.

41 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Fattore di ombreggiatura relativo ad ostruzioni esterne (F hor )

42 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: località: Cagliari (39⁰ 13 ) finestra su prospetto sud, al piano terra (H 1 =2.10 m su piano di campagna) edificio prospiciente a distanza minima di legge (D 12 =10m) edificio prospiciente con tre piani fuori terra, incluso pianterreno (H 2 =10.30m)

43 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: F hor (gennaio): 0,05

44 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: F hor (luglio): 0,635

45 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: località: Cagliari (39⁰ 13 ) finestra su prospetto sud, al secondo piano fuori terra (H1=7.70m su piano di campagna) edificio prospiciente a distanza minima di legge (D 12 =10m) edificio prospiciente con tre piani fuori terra, incluso pianterreno (H 2 =10.30m)

46 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: F hor (gennaio): 0,87 0,885 0,855

47 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: F hor (luglio): 0,853 0,85 0,855

48 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Fattore di ombreggiatura relativo ad aggetti orizzontali (F ov ) Esempi: solai di balconi, pensiline, cornicioni, cornici finestre, tendaggi esterni, brise soleil, ecc.

49 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Fattore di ombreggiatura relativo ad aggetti orizzontali (F ov )

50 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: località: Cagliari (39⁰ 13 ) portafinestra su prospetto sud (H=1.65m) solaio balcone superiore L=1.20m inclusa distanza tra piano del vetro e superficie esterna)

51 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: Fov (gennaio): 0,835 0,828 0,842

52 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: Fov (luglio): 0,561 0,560 0,562

53 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: località: Cagliari (39⁰ 13 ) finestra su prospetto sud (H=0.80 m) architrave finestra a filo interno su muro due teste (L=0.15 m, distanza tra piano del vetro e superficie esterna della parete)

54 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: Fov (gennaio): 0,951 0,949 0,952

55 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: Fov (luglio): 0,848 0,846 0,850

56 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Fattore di ombreggiatura relativo ad aggetti verticali (F fin ) Esempi: elementi architettonici, cornici finestre, brise soleil, ecc.

57 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Fattore di ombreggiatura relativo ad aggetti verticali (F fin )

58 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: località: Cagliari (39⁰ 13 ) finestra su prospetto sud (W=0.55 m) spalla finestra a filo interno su muro due teste (0.25m, distanza tra piano del vetro e superficie esterna della parete L=0.15m)

59 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: F fin (gennaio): 0,960 0,960 0,960

60 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: F fin (luglio): 0,945 0,945 0,945

61 Il fattore Fsh,ob,k fattore di riduzione per ombreggiatura Esempio: località: Cagliari (39⁰ 13 ) finestra su prospetto sud, al secondo piano fuori terra edificio prospiciente a distanza minima di legge (10m) e con tre piani fuori terra architrave e spalle di finestra a filo interno su muro a due teste (L=0.40m, distanza tra piano del vetro e superficie esterna della parete) Ombreggiamenti da edificio prospiciente, architrave e (due) spalle finestra: Fsh,ob,gennaio = ,960 = Fsh,ob,luglio = ,945 = x2 x2