LE SCHERMATURE SOLARI

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI FACOLTÁ DI ARCHITETTURA Lezioni del Laboratorio di progettazione tecnica e strutturale LE SCHERMATURE SOLARI Docente: Ing. GIUSEPPE DESOGUS

2 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE Il percorso del Sole: Rappresentazione tridimensionale dei differenti percorsi del Sole alla latitudine di

3 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE Le coordinate solari: Rappresentazione grafica delle coordinate solari Altezza e Azimut 3

4 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE I diagrammi solari. La proiezione sul piano orizzontale Proiezione ortografica Proiezione ortocentrica Proiezione stereografica 4

5 GLI AGENTI FISICI: IL SOLE I diagrammi solari. Gli elementi principali Linee azimutali. Linee delle altezze. Linee della data. Linee dell ora. 5

6 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. 6

7 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 7

8 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. 8

9 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: 9

10 LO STUDIO DEGLI OMBREGGIAMENTI SUL SITO Si procede quindi a riportare sul diagramma solare le coordinate relative ai punti caratteristici dell ostruzione: 10

11 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: 11

12 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. 12

13 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. 13

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15 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. 15

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22 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. 22

23 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. 23

24 Costruzione della maschera di ombreggiamento per una schermatura orizzontale con angolo =70 e =50 24

25 Rotazione della maschera di ombreggiatura secondo l esposizione della finestra (in questo caso Sud-Est) 25

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27 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. 27

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35 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). 35

36 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. 36

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