PRESTAZIONI E SCELTA DEI COMPONENTI TRASPARENTI DELL INVOLUCRO

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI FACOLTÁ DI ARCHITETTURA Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale PRESTAZIONI E SCELTA DEI COMPONENTI TRASPARENTI DELL INVOLUCRO Docente: Ing. GIUSEPPE DESOGUS

2 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA Edifici aggressivi o edifici difensivi? La scelta fra l uno o l altro tipo dipende da alcuni fattori che possono essere così schematizzati: Quando l orientamento di una facciata dell edificio è compreso tra ± 25 rispetto al sud, si può optare per una forma aggressiva, dotando la facciata di elementi vetrati, trasparenti o opachi, che catturino l energia solare; Se per vari motivi (orientamento non ottimale, problemi di sicurezza o rumore) non è possibile realizzare una facciata tipica di un edificio aggressivo, allora bisogna cercare di sopperire alla mancanza di apporto energetico solare riducendo le dispersioni (basso rapporto superficie/volume, alto potere isolante dell involucro, eliminazione dei ponti termici). Una forma aggressiva non dovrebbe mai essere scelta per una facciata esposta a nord che non beneficia dell irraggiamento solare, o esposta ad est od ovest, che presentano problemi di surriscaldamento. Un edificio aggressivo può costare molto di più di un edificio difensivo. Le superfici vetrate con opportune caratteristiche termiche possono costare tre volte le chiusure verticali opache. Se l efficacia delle tecniche solari passive permesse dall approccio aggressivo non è sicura, i tempi di ritorno in termini di costi e benefici ambientali posso incrementare notevolmente. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 2

3 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA L irraggiamento su superfici con differente esposizione Diverso angolo di incidenza del sole nel periodo invernale e in quello estivo Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 3

4 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA L irraggiamento su superfici con differente esposizione Irradiazione solare giornaliera media mensile su superfici con diverso orientamento. Andamento teorico per lat 40 N attraverso vetro chiaro. Irradiazione solare giornaliera media mensile su superfici con diverso orientamento. Valori reali per la città di Cagliari (Fonte: UNI 10349). Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 4

5 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA L effetto combinato dell irraggiamento solare e della temperatura dell aria. Temperatura fittizia per sup orizzontale Temperatura fittizia per facciata sud 70,00 70,00 60,00 60,00 50,00 50,00 40,00 40,00 30,00 Tf ( C) 30,00 Tf ( C) 20,00 Ta ( C) 20,00 Ta ( C) 10,00 10,00 0, , Effetto combinato della temperatura dell aria e dell irraggiamento solare (temperatura fittizia) su una superficie con diversi orientamenti e coefficiente di assorbimento della radiazione solare pari a 0,8. Dati climatici di un giorno estivo per la città di Cagliari. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 5

6 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA L effetto combinato dell irraggiamento solare e della temperatura dell aria. Temperatura fittizia per facciata ovest Temperatura fittizia per facciata est 70,00 70,00 60,00 60,00 50,00 50,00 40,00 40,00 30,00 Tf ( C) 30,00 Tf ( C) Ta ( C) Ta ( C) 20,00 20,00 10,00 10,00 0, , Effetto combinato della temperatura dell aria e dell irraggiamento solare (temperatura fittizia) su una superficie con diversi orientamenti e coefficiente di assorbimento della radiazione solare pari a 0,8. Dati climatici di un giorno estivo per la città di Cagliari. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 6

7 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA Facciate sud (± 25 ) Nelle condizioni climatiche mediterranee è possibile incrementare la superficie captante dell energia solare (superfici vetrate o muri di Trombe e similari) non oltre il 50% della superficie complessiva; Parte delle superfici vetrate possono essere sostituite con altre captanti, se l eccesso di trasparenza crea altri problemi (assenza di privacy, sicurezza, rumori etc..); Ottimizzare la distribuzione degli spazi interni; Mantenere comunque elevata le proprietà isolanti della facciata, per evitare la dispersione dell energia accumulata; Utilizzare dispositivi in grado di diminuire la trasmittanza delle superfici vetrate durante la notte (schermi, avvolgibili etc..); Garantire adeguata ventilazione agli spazi interessati dal guadagno solare diretto; Evitare le schermature non desiderate che ombreggino la facciata (vegetazione, edifici prospicienti etc..); Utilizzare pavimenti con alta capacità termica negli ambienti interessati dal guadagno solare diretto. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 7

8 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA Facciate Nord Avere una superficie vetrata sufficiente a garantire le condizioni minime di illuminamento naturale (FLD=2%); La capacità isolante deve essere aumentata del 20% rispetto alla facciata sud; In caso di presenza di venti dominanti invernali dai quadranti settentrionali è necessaria la perfetta tenuta all aria della facciata, per evitare l infiltrazione di aria fredda che aumenterebbe notevolmente il carico necessario per il riscaldamento; Evitare aperture sovradimensionate; Proteggere la facciata con schermature vegetali o di altro tipo, che la riparino dai venti freddi e riducano la dispersione per irraggiamento durante il periodo invernale; Realizzare facciate ventilate per ridurre la possibilità di formazione di condensa. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 8

9 ESPOSIZIONE, FORMA E DISTRIBUZIONE INTERNA Le facciate est ed ovest Avere il tipo di schermatura appropriata per l orientamento; Gli ambienti con questa esposizione dovrebbero beneficiare della ventilazione naturale; Se è inevitabile creare delle superfici vetrate utilizzare, se possibile, vetri con caratteristiche termiche adatte (vetri a bassa emissività a controllo solare) Ridurre comunque al minimo la superficie vetrata. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale ESPOSIZIONE,FORMA E DISTRIBUZIONE. 9

10 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE IL VETRO Il vetro come materiale per l involucro edilizio ha assunto negli ultimi anni una grande rilevanza legata soprattutto all edilizia del settore terziario, le cui tendenze architettoniche sembrano prediligere sempre più ampie (se non integrali) facciate trasparenti. Queste scelte esaltano al tempo stesso le potenzialità e le criticità d elemento in vetro. La visione verso e dall esterno ha un evidente impatto psicologico. Accanto a ciò bisogna però considerare una maggiore esposizione alle sollecitazioni climatiche esterne, come ad esempio alle fredde temperature invernali e alla radiazione solare estiva. In questo senso una progettazione energeticamente efficiente dovrebbe portare ad un dimensionamento della superficie trasparente basato sulle effettive necessità visive e di guadagno solare durante la stagione fredda. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 10

11 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE IL VETRO IN EDILIZIA Il primo uso del vetro in architettura risale all età imperiale romana. Esempi di vetro come chiusura dell involucro edilizio sono stati trovati in alcune ville a Pompei e in Inghilterra. L applicazione nella zona più settentrionale dei domini romani non è casuale e testimonia come si avesse già conoscenza del miglioramento delle prestazioni termiche dell'involucro nei climi freddi ottenibile con l'inserimento del vetro. Il vetro nel Medioevo viene completamente trascurato nelle residenze e l uso rimane limitato agli edifici di culto per scopi principalmente artistici. Viene reintrodotto nelle residenze solamente nel 400 in Italia, ma impiegherà più di tre secoli per affermarsi definitivamente almeno nelle case delle persone più abbienti. Negli ultimi anni il vetro come materiale per l involucro edilizio ha assunto una grande rilevanza legata soprattutto all edilizia del settore terziario, le cui tendenze architettoniche sembrano prediligere sempre più ampie (se non integrali) facciate trasparenti. Queste scelte esaltano al tempo stesso le potenzialità e le criticità d elemento in vetro. Alla semplice visione dall interno verso l esterno è stata sostituita la completa trasparenza dall esterno verso l interno. Ciò ha un evidente impatto psicologico e di percezione dell oggetto architettonico, ma comporta una maggiore esposizione alle sollecitazioni climatiche esterne, come ad esempio alle fredde temperature invernali e alla radiazione solare estiva. In questo senso una progettazione energeticamente efficiente dovrebbe portare ad un dimensionamento della superficie trasparente basato sulle effettive necessità visive e di guadagno solare durante la stagione fredda. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 11

12 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 12

13 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE LA RADIAZIONE SOLARE Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 13

14 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE L INTERAZIONE FRA VETRO E RADIAZIONE SOLARE La peculiarità delle superfici vetrate è quella di non comportarsi in maniera identica con tutte le componenti della radiazione solare. Un vetro può essere trasparente alla componente visibile, ma più o meno opaco a quella termica (infrarosso lontano e vicino). a + t + r =1 Ma a, t e r sono funzione della lunghezza d onda (o della frequenza) della radiazione incidente. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 14

15 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE L INTERAZIONE FRA VETRO E RADIAZIONE SOLARE Una caratteristica fondamentale del vetro, che tutti ben conoscono, è quella di essere quasi completamente trasparente alla luce. Questo non vuole dire però essere trasparente all intera radiazione elettromagnetica proveniente dal sole. Come è noto un campo elettromagnetico può oscillare con frequenze differenti generando onde che vengono convenzionalmente definite in maniera diversa. Convenzionalmente la radiazione elettromagnetica viene suddivisa come segue: Lo spettro della radiazione elettromagnetica va dai raggi gamma alle onde radio, passando per i raggi X, la radiazione ultravioletta, la luce e la radiazione infrarossa. Il sole è una sorgente di radiazione elettromagnetica che viene intercettata e modificata nel suo cammino fino alla superficie terrestre principalmente dall atmosfera. Ai fini della presente trattazione non è tanto interessante sapere come questo avviene e quali siano i principali elementi che assorbono la radiazione solare, ma è invece importante notare che anche al suolo la radiazione solare è composta da raggi ultravioletti, luce e radiazione infrarossa cosiddetta vicina (fino a 3 μm). La maggior quantità di energia è trasportata nel campo del visibile. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 15

16 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE L INTERAZIONE FRA VETRO E RADIAZIONE SOLARE È noto che un corpo colpito da una radiazione elettromagnetica può assorbirla, rifletterla o farsi attraversare. Per il principio di conservazione dell energia la somma dell energia assorbita, riflessa e trasmessa deve essere uguale a quella incidente. Ciò equivale a dire che la somme dei tre coefficienti a, r e t (ovvero del rapporto tra ogni frazione di energia e quella incidente) deve essere pari a 1. Questo vale anche per il vetro, per cui potrebbe essere, per un dato vetro: a + t + r =1 A, t e r non sono costanti, ma dipendono dalla lunghezza d onda (o dalla frequenza) della radiazione incidente. Ciò significa che una lastra di vetro colpita dalla radiazione solare avrà una terna di valori di a, r e t diversa a seconda che ci riferiamo alla luce o al vicino infrarosso o a tutta la radiazione nel suo complesso, fermo restando che la somma dei tre valori ogni volta deve essere uguale a 1. Ciò vale anche per la radiazione infrarossa emessa da corpi ad una temperatura notevolmente inferiore a quella del sole, per cui il vetro potrebbe essere trasparente per l infrarosso solare, ma opaco per la radiazione dei corpi interni ad un edificio, che hanno temperature decisamente inferiori. Questo è il cosiddetto effetto serra provocato dal vetro, che sostanzialmente si comporta come una trappola per l energia solare: essa entra all interno dell edificio, riscalda i corpi in esso contenuti, ma la radiazione riemessa non può uscire e riscalderà l edificio fino a che questo non inizierà a disperdere verso l ambiente esterno in virtù del suo aumento di temperatura, arrivando ad un nuovo equilibrio termico. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 16

17 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I VETRI CHIARI I vetri chiari singoli un tempo utilizzati per gli infissi hanno buone prestazioni di trasparenza per la radiazione luminosa e per il vicino infrarosso. Di contro per il lontano infrarosso sono quasi completamente assorbenti e questo vuol dire che non riflettono la radiazione termica proveniente dall interno ma la assorbono aumentando la propria temperatura e disperdendo calore verso l esterno, quando la temperatura dell aria esterna è bassa (condizioni invernali). In condizioni calde il funzionamento è anche peggiore. L alta trasparenza al vicino infrarosso causa un ingresso di radiazione termica solare eccessivo, l alto assorbimento alle basse frequenze, poi, causa un surriscaldamento del vetro stesso colpito dalla radiazione proveniente dai corpi caldi esterni. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 17

18 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I VETRI RIFLETTENTI I riflettenti non hanno un comportamento molto migliore, anzi diminuiscono l ingresso della componente visibile senza riuscire a bloccare quella del vicino infrarosso. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 18

19 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I VETRI BASSO EMISSIVI A ISOLAMENTO TERMICO I vetri a bassa emissività, detti vetri heat mirror o solar gain (ma ora spesso indicati nei cataloghi semplicemente con isolamento termico ), sono vetri in grado di riflettere la radiazione del lontano infrarosso (bassa emissività vuol dire anche basso assorbimento e quindi alta riflessione). Sono vetri che si sono diffusi soprattutto in climi freddi. Aumentano infatti notevolmente l effetto serra perché riflettono la radiazione dei corpi interni all ambiente e non la disperdono verso l esterno. Bisogna però fare molta attenzione ad utilizzarli in condizioni estive perché moltiplicano l effetto della radiazione solare termica e quindi il surriscaldamento. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 19

20 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I VETRI BASSO EMISSIVI A CONTROLLO SOLARE L unico vetro ad alta tecnologia adatto alle condizioni calde è il cosiddetto vetro selettivo a controllo solare generalmente denominato solar control. Ha la proprietà di riflettere la componente termica del vicino infrarosso evitandone l ingresso negli ambienti interni. Il comportamento nel lontano infrarosso è analogo ai vetri a bassa emissività riflettendo quindi la radiazione a bassa frequenza proveniente da corpi caldi esterni. Il suo utilizzo può essere evitato se sono presenti schermature solari che diminuiscono l irraggiamento durante la stagione estiva. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 20

21 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I VETRI AD ALTE PRESTAZIONI I vetri ad alte prestazioni devono essere scelti a seconda della necessità di riscaldare l edificio in inverno o di evitare il surriscaldamento d estate. Non esiste un vetro che risolve entrambi i problemi. I vetri a isolamento termico migliorano le prestazioni invernali dell edificio. Quelli solar control le prestazioni estive. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 21

22 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I VETRI AD ALTE PRESTAZIONI La conformazione dei vetri ad isolamento termico e di quelli a controllo solare è abbastanza simile. Entrambi sono vetri composti (almeno vetri doppi con intercapedine) su una faccia dei quali viene realizzato un deposito metallico basso emissivo. Per i vetri ad isolamento termico il deposito è in faccia 3, mentre per i vetri a controllo solare il deposito è in faccia 2. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 22

23 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE REQUISITI PER LA SCELTA DEI VETRI La trasmittanza solare totale diretta o fattore solare g: quanta dell energia della radiazione solare incidente viene complessivamente trasmessa all interno, direttamente per trasparenza e indirettamente per assorbimento nel vetro e riemissione termica verso l interno. È dato quindi dalla trasmittanza solare diretta t e, cioè la quota dell energia di tutto lo spettro che effettivamente attraversa il vetro, più una quota q int dell energia assorbita nello spessore del vetro, che viene successivamente trasmessa verso l interno per convezione e irraggiamento, rapportata all energia incidente complessiva. Può quindi variare da 0 a 1. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 23

24 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE REQUISITI PER LA SCELTA DEI VETRI La trasmittanza luminosa diretta T L, ovvero la frazione della radiazione solare incidente che viene trasmessa dal vetro pesata con la curva spettrale della risposta visiva dell occhio umano, ovvero, in termini più semplici, la percentuale della componente visibile effettivamente trasmessa dal vetro. Può variare da 0 a 1. Nei cataloghi a volte è indicato anche lo Shading Coefficient SC, definito convenzionalmente dal rapporto tra il fattore solare di un dato vetro ed il valore 0,86 corrispondente al fattore solare di un vetro chiaro di spessore 3 mm. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 24

25 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE REQUISITI PER LA SCELTA DEI VETRI Un altro indicatore talvolta utilizzato, di notevole interesse, è l indice di selettività spettrale (Light to Solar Gain ratio) LSG, dato dal rapporto tra T L e g. Rappresenta di fatto la capacità di un vetro di lasciar passare la componente luminosa, ma non quella termica. Il diagramma seguente indica per vari tipi di vetro, il valore di LSG. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 25

26 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE CONFRONTO FRA VETRI A ISOLAMENTO TERMICO E SOLAR CONTROL Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 26

27 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I SERRAMENTI TRADIZIONALI MEDITERRANEI Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 27

28 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE I SERRAMENTI TRADIZIONALI MEDITERRANEI Affidare al solo vetro, per quanto tecnologicamente avanzato, il compito di regolare gli scambi energetici tra interno ed esterno non è una scelta vincente. Come più volte ripetuto le strategie energetiche migliori sono quelle dinamiche, che si adattano in maniera intelligente alle mutevoli condizioni climatiche, sfruttandone appieno gli aspetti positivi e minimizzando quelli negativi. I vetri da questo punto di vista non sono assolutamente adattabili, eccezion fatta per tecnologie ancora sperimentali come i vetri termocromici o elettrocromici, che esulano dagli obiettivi di questo laboratorio. Per quanto sofisticato sia un vetro, un basso fattore solare, ad esempio, è sempre costante e se da un lato può garantire una protezione dal surriscaldamento, dall altro riduce drammaticamente il guadagno solare durante l inverno diminuendo l efficienza energetica dell intero edificio. Una schermatura solare ben progettata invece ha un comportamento dinamico: scherma il sole quando non serve (estate) e lo lascia passare quando porta beneficio (inverno). Ovviamente deve essere accuratamente progettata e devono essere attentamente valutati tutti i possibili aspetti negativi (ad esempio la riduzione del fattore di luce diurna). L architettura tradizionale offre sempre esempi interessanti in tema di adattamento degli elementi costruttivi alle condizioni climatiche. La persiana mediterranea non fa eccezione. L anta esterna realizzata con lamelle inclinate, ed in alcuni casi ruotabile verticalmente nella parte inferiore, permette al contempo la schermatura dal sole e il passaggio dell aria per la ventilazione naturale durante la stagione estiva. Durante l inverno, invece, gli scuri interni incardinati sul telaio mobile dell anta vetrata consentono di diminuire la trasmittanza termica durante la notte mentre l apertura completa delle persiane consente di massimizzare il guadagno solare di giorno. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 28

29 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE PRESTAZIONI GLOBALI DEI SERRAMENTI Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 29

30 LE PRESTAZIONI TERMICHE DELL INVOLUCRO TRASPARENTE PRESTAZIONI GLOBALI DEI SERRAMENTI Da quanto esposto finora risulta evidente come i serramenti siano la sede principale degli scambi energetici e materiali tra l ambiente interno e quello esterno e per questo motivo devono assolvere a funzioni che diventano sempre più articolate e delicate. A titolo di esempio si citano solo alcuni requisiti che i serramenti ormai devono possedere: Isolamento termico Isolamento acustico Trasparenza alla luce e ottimizzazione delle condizioni di benessere visivo interno Oscurabilità quando richiesto Trasparenza alla radiazione termica infrarossa durante l inverno Schermatura della radiazione termica infrarossa durante l estate Impermeabilità all aria in assenza di condizioni di comfort esterne Permeabilità controllata all aria per garantirne il rinnovo e per raffreddare naturalmente l edificio quando possibile Impermeabilità all acqua ed alla polvere Durabilità, facilità di manutenzione e pulizia È quindi chiaro che un edificio che voglia definirsi sostenibile non può prescindere da una corretta progettazione delle aperture dell involucro. L elevata complessità delle funzioni cui devono assolvere rende sempre più difficile attribuire ad un solo elemento costruttivo tutti i requisiti richiesti ed è inevitabile che i serramenti siano destinati a trasformarsi in sistemi sempre più articolati, costituiti da parti differenti ognuna con funzioni specifiche (ventilazione, schermatura, trasparenza, isolamento etc..). Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale INVOLUCRO TRASPARENTE 30

31 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE Il percorso del Sole: Rappresentazione tridimensionale dei differenti percorsi del Sole alla latitudine di Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 31

32 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE Le coordinate solari: Rappresentazione grafica delle coordinate solari Altezza e Azimut Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 32

33 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE I diagrammi solari. La proiezione sul piano orizzontale Proiezione ortografica Proiezione ortocentrica Proiezione stereografica Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 33

34 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE I diagrammi solari. Gli elementi principali Linee azimutali. Linee delle altezze. Linee della data. Linee dell ora. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 34

35 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE I diagrammi solari. Gli elementi principali Gli elementi che compongono un diagramma solare sono: Linee azimutali. Sono rappresentate da un fascio proprio di rette con centro corrispondente con quello del diagramma. Per semplicità nella figura sono rappresentate solo dalla parte finale esterna al cerchio del diagramma, ad intervalli di 15. Gli angoli si misurano partendo da sud. Linee delle altezze. Le linee che indicano l angolo d altezza del Sole sono dei cerchi concentrici tratteggiati nella figura. Riportano le altezze ad intervalli di 10 a partire dall esterno verso il centro. La linea dei 90 coincide con il centro del diagramma. Linee della data. Rappresentano il percorso del Sole sulla volta celeste per un determinato giorno dell anno. Partono dal lato est del diagramma e vanno verso quello ovest. Linee dell ora. Indicano la posizione del sola da una specifica ora del giorno. L intersezione delle linee dell ora con quelle della data da la posizione del Sole richiesta. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 35

36 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE I diagrammi solari. L utilizzo Si individua la linea dell ora richiesta. Si individua la linea della data richiesta. Si traccia una linea dal centro esatto del diagramma fino all esterno, passando per l intersezione individuata precedentemente. Si legge l azimut sul cerchio esterno del diagramma corrispondente alla linea tracciata. Si traccia un cerchio concentrico alle linee delle altezze e passante per l intersezione individuata. Si ricava l altezza del sole sulla base dei cerchi concentrici indicati Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 36

37 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE I diagrammi solari. Gli elementi principali Ricavare le coordinate solari da un diagramma si procede nel modo seguente: Si individua la linea dell ora richiesta. Nell esempio riportato nella figura si stanno calcolando le coordinate solari alle ore 8:00 del 9 Marzo. La linea dell ora sarà quindi contraddistinta dal numero 8. Per orari intermedi è necessario interpolare tra due linee successive. Si individua la linea della data richiesta. In questo caso è stato necessario interpolare tra la linea del 21 Marzo e quella del 21 Febbraio. La linea corrispondente è stata tracciata in celeste. Trovare l intersezione delle linee dell ora e della data individuate. In figura è rappresentata con un punto azzurro. Tracciare una linea dal centro esatto del diagramma fino all esterno, passando per l intersezione individuata precedentemente (in rosso). Leggere l azimut sul cerchio esterno del diagramma corrispondente alla linea tracciata. Questa è la prima coordinata solare richiesta. Tracciare un cerchio concentrico alle linee delle altezze e passante per l intersezione individuata. Leggere l altezza del Sole sulla scala riportata sulla linea del nord, interpolando se necessario. Eseguendo tutti questi passaggi è stato possibile determinare che per una latitudine di 39 N, le coordinate solari alle ore 8,00 del 9 Marzo sono: Azimut: 63 Altezza: 16. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 37

38 LO STUDIO DEGLI OMBREGGIAMENTI SUL SITO La maschera polare delle ostruzioni rappresenta la trasposizione in una visione polare degli elementi dell intorno visti da uno specifico punto di osservazione. Viene utilizzata sovrapponendola alla carta dei percorsi solari e alla maschera della luminosità della volta celeste per descrivere l effetto ostruente degli elementi considerati. Il primo passo per la sua costruzione è l individuazione degli angoli azimutali e di altezza degli elementi ostruenti: Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 38

39 LO STUDIO DEGLI OMBREGGIAMENTI SUL SITO Si procede quindi a riportare sul diagramma solare le coordinate relative ai punti caratteristici dell ostruzione: Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 39

40 LO STUDIO DEGLI OMBREGGIAMENTI SUL SITO L ultimo passo è quello di sovrapporre la maschera di ombreggiamento alle linee della data e dell ora per individuare i periodi dell anno e del giorno in cui l ostacolo porta ombra sul punto: Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 40

41 LO STUDIO DEGLI OMBREGGIAMENTI SUL SITO Il diagramma solare permettere di conoscere in ogni istante della giornata e per ogni giorno dell anno la posizione del sole nella volta celeste. Queste informazioni sono utili, ma l efficacia dei diagrammi solari va oltre. In particolare è possibile sapere quando un oggetto circostante il sito di intervento ostruisce il sole su un punto preciso del sito stesso. Questo è possibile attraverso la costruzione delle maschere di ostruzione. Lo stesso strumento si utilizza anche per dimensionare le schermature solari. Concettualmente l operazione è identica, ma in quest ultimo caso, per non creare confusione, si preferisce l accezione maschere di ombreggiamento. La maschera polare delle ostruzioni rappresenta la trasposizione in una visione polare degli elementi dell intorno visti da uno specifico punto di osservazione. Viene utilizzata sovrapponendola alla carta dei percorsi solari e alla maschera della luminosità della volta celeste per descrivere l effetto ostruente degli elementi considerati. Ogni maschera si riferisce a uno specifico punto dello spazio in quanto le dimensioni angolari degli oggetti cambiano al variare della posizione relativa dell osservatore. Questo fatto risulta evidente quando ci avviciniamo ad una qualsiasi ostruzione. L effetto ostruente è infatti legato all incremento angolare e quindi al rapporto distanza/altezza che definisce la tangente dell angolo di ostruzione. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 41

42 LO STUDIO DEGLI OMBREGGIAMENTI SUL SITO Come già detto le carte dei percorsi solari servono a calcolare la direzione di prove nienza dei raggi solari che raggiungono l osservatore in un certo istante a condizione che il sole non sia ostruito da un ostacolo. Per verificare questa condizione occorre cal colare l ingombro all orizzonte degli eventuali ostacoli riportandoli sul diagramma dei percorsi del sole. Nel caso di ostruzioni non riducibili a superfici piane di altezza costante (montagne, edifici articolati, ecc.) si procede: individuando i punti notevoli (massimi, minimi, discontinuità ecc.); calcolando i valori di altezza angolare e azimut per ognuno dei punti notevoli ed eventualmente per altri punti intermedi che siano significativi per il tracciamento delle ostruzioni (discontinuità, minimi, massimi ecc.); riportando i valori ottenuti direttamente sulla carta dei percorsi solari e unendo la spezzata così ottenuta. Il diagramma finale consente di valutare in quale mese e in quali ore l osservatore situato nel punto P non vede il sole stante le condizioni esistenti o di progetto degli ingombri all orizzonte. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale IL SOLE 42

43 SCHERMATURE SOLARI Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 43

44 SCHERMATURE SOLARI Le schermature solari sono lo strumento più efficace per limitare i problemi di surriscaldamento degli edifici attraverso le aperture trasparenti dell involucro nei climi temperati e caldi. Il loro corretto dimensionamento è indispensabile per verificare che intercettino realmente i raggi solari in estate e non ostacolino il guadagno solare diretto in inverno. Lo strumento per procedere al dimensionamento delle schermature o alla loro verifica sono le maschere di ombreggiamento. Esse sono sostanzialmente la proiezione su un piano orizzontale della porzione di volta celeste che la schermatura copre. I metodi di proiezioni sono identici a quelli che si possono utilizzare per riportare su un piano i percorsi del sole, per costruire cioè i diagrammi solari (si veda la relativa lezione). A seconda che il profilo della schermatura sia orizzontale o verticale, la forma della maschera varierà da quella di una curva a quella di una retta azimutale, come riportato nella figura seguente. Ai fini pratici non è necessario ricorrere ogni volta alla proiezione geometrica di una schermatura solare, ma è possibile avvalersi di uno strumento grafico che prende il nome di proiettore e che rappresenta i profili delle maschere di ombreggiamento orizzontali in funzione del loro angolo di altezza e di quelle verticali in funzione dell azimut. Per semplicità i due diversi gruppi di proiezioni sono riportati in un unico diagramma. Utilizzando questo strumento è possibile tracciare le maschere per i principali tipi di schermatura, come riportato nelle figure che seguono. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 44

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51 SCHERMATURE SOLARI Una volta disegnata la maschera di ombreggiamento è necessario ruotarla in funzione dell orientamento della finestra, facendo coincidere l asse verticale della maschera con la normale alla finestra stessa. A questo punto bisogna stabilire se la porzione di volta celeste ostruita dalla schermatura è sufficiente oppure no, ovvero se la schermatura blocca effettivamente il sole nei periodi in cui c è un rischio di surriscaldamento. Per far questo è possibile utilizzare un altro strumento grafico che riporta su un diagramma solare l area corrispondente alle ore e ai mesi in cui il rischio surriscaldamento è presente. È importante mettere subito in evidenza che il tracciamento di questa area dovrebbe essere fatto partendo dai dati climatici del sito di intervento, avvalendosi degli strumenti della bioclimatica. Allo stato attuale non è però possibile reperire diagrammi di surriscaldamento locali, ma è necessario riferirsi a modelli riportati in letteratura diversificati in funzione della latitudine. Ai fini del laboratorio sarà sufficiente prendere come riferimento il diagramma riportato in figura. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 51

52 SCHERMATURE SOLARI Una schermatura può definirsi efficace solo se la sua maschera di ombreggiatura copre l area di surriscaldamento e lascia scoperte le altre porzioni del diagramma. Un eccesso di copertura infatti significa lasciare in ombra un infisso anche in periodi in cui l ingresso del solare contribuisce al guadagno termico gratuito e al conseguente eccessivo ricorso all uso degli impianti di riscaldamento. È importante fare anche un altra considerazione: il percorso del sole è simmetrico rispetto ai solstizi, le stagioni no. In altri termini ci sono periodi dell anno in cui il sole ha lo stesso percorso ma le temperature (e quindi i rischi di surriscaldamento) sono diverse. Si prendano ad esempio il 21 Agosto ed il 21 Aprile. Sul diagramma solare sono entrambi rappresentanti da un unica linea e questo perché il percorso del sole è identico nei due giorni. Le esigenze di protezione dal sole sono però differenti. Sicuramente ad Agosto è necessario provvedere all ombreggiamento di un infisso (in accordo con la figura sopra dalle 10 alle ora solare), mentre ad Aprile il problema non si pone, anzi potrebbe essere necessario il guadagno solare diretto. Per questo motivo le schermature più efficaci sono quelle mobili, in grado di essere regolate automaticamente o manualmente alle diverse condizioni climatiche. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 52

53 SCHERMATURE SOLARI Costruzione della maschera di ombreggiamento per una schermatura orizzontale con angolo =70 e =50 Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 53

54 SCHERMATURE SOLARI Rotazione della maschera di ombreggiatura secondo l esposizione della finestra (in questo caso Sud-Est) Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 54

55 SCHERMATURE SOLARI Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 55

56 SCHERMATURE SOLARI La procedura per la verifica dell efficacia di una schermatura solare può essere riassunta nei seguenti punti: Disegno della maschera di ombreggiamento sulla base dell altezza e dell azimut dei profili orizzontali e verticali della schermatura; Rotazione della maschera di ombreggiamento in funzione dell orientamento della finestra Sovrapposizione della maschera ruotata al diagramma solare con l aera di surriscaldamento e verifica della sua totale copertura. Nelle figure sopra è riportata la maschera di ombreggiatura di una schermatura orizzontale con angoli =70 e =50 di una finestra esposta a Sud Est. Nell esempio riportato la schermatura si dimostra non adatta a proteggere la finestra durante le ore antimeridiane dei mesi estivi. Questo è dovuto al difficile orientamento della facciata e alla scelta della schermatura, più adatta per un esposizione completamente a sud. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 56

57 SCHERMATURE SOLARI Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 57

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61 SCHERMATURE SOLARI Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 61

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64 SCHERMATURE SOLARI LA SCELTA DELLA SCHERMATURA Come visto sopra, la scelta della schermatura corretta è fondamentale per evitare che la verifica del periodo di surriscaldamento non dia risultato negativo. Come regola generale è bene dire anzitutto che, laddove possibile, la scelta migliore è quella delle schermature orizzontali aggettanti sopra la finestra. Questo però garantisce buoni risultati solo sulle facciate a sud. A seconda delle dimensioni della finestra e dell aggetto le schermature orizzontali potrebbero dover essere integrate con piccoli setti verticali. Per evitare eccessivi sovradimensionamenti delle schermature orizzontali a sud è suggeribile realizzare aperture basse ma larghe (es: finestra a nastro), più facili da proteggere. L utilizzo di schermature combinate, ad esempio un aggetto fisso con lamelle mobili, conferisce alla schermatura la dinamicità necessaria per adattarsi alla variabilità delle condizioni climatiche. Mentre l aggetto fisso garantisce una base di schermatura, le lamelle possono essere ruotate per risolvere il problema del diverso fabbisogno di riscaldamento in periodi con medesimo percorso solare (ad es: Agosto e Aprile). Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 64

65 SCHERMATURE SOLARI LA SCELTA DELLA SCHERMATURA Un sistema molto efficace, che al contempo migliora la distribuzione della luce nell ambiente interno, è quello del light shelf (letteralmente: scaffale di luce). Consiste in una schermatura disposta al di sotto dell intradosso del solaio e consente la riflessione della luce sul medesimo migliorando l uniformità dell illuminamento naturale. Ovviamente è necessario che sia opportunamente dimensionata, così come è fondamentale realizzarla con un taglio termico che eviti la dispersione (o l ingresso) di calore attraverso la mensola stessa. Se ci si allontana dall esposizione sud la schermatura diventa sempre più difficile da realizzare efficacemente, a causa della minor altezza con cui il sole colpisce i fronti est e ovest. Se si aggiunge il fatto che durante l estate il periodo più caldo della giornata coincide con le ore pomeridiane, è palese come la combinazione dell effetto aria sole sulla superficie ovest sia causa inevitabile di surriscaldamento. In questo caso è possibile ricorrere a soluzioni tecnologiche avanzate, come i vetri a controllo solare (si veda la lezione relativa) e adottare schermature verticali, che sebbene, non risolvano completamente il problema, sono le più adatte per questo tipo di esposizione. Un altro accorgimento utile è quello di realizzare aperture alte e strette (tipo porta finestra) più facili da schermare con setti verticali. Ing. GIUSEPPE DESOGUS - Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale SCHERMATURE SOLARI 65

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