RELATORE: Prof. Ing. Placido Munafò. TESI DI LAUREA DI: Emanuela Sbriccoli. CORRELATORI: Dott. Ing. Costanzo Di Perna. Dott. Ing.

Transcript

1 UNIVERSITA POLITECNICA DELLE MARCHE - FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA EDILE - ARCHITETTURA ANALISI DELL EFFICACIA DELLE SCHERMATURE SOLARI: CONFRONTO FRA UN MODELLO IDEALE E UN CASO DI STUDIO REALE E VALIDAZIONE DEI METODI DI CALCOLO RELATORE: Prof. Ing. Placido Munafò TESI DI LAUREA DI: Emanuela Sbriccoli CORRELATORI: Dott. Ing. Costanzo Di Perna Dott. Ing. Francesca Stazi ANNO ACCADEMICO

2 Indice INDICE Introduzione... 5 Capitolo 1 La normativa di riferimento La legislazione internazionale La legislazione europea Il recepimento dell EPBD in alcuni Stati Europei La legislazione americana Fundamentals of ASHRAE La legislazione italiana La norma UNI/TS : Apporti solari secondo la norma UNI/TS : La DGR 5796/2009_Regione Lombardia Apporti solari secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Il Protocollo ITACA_Regione Marche Criterio Controllo della radiazione solare Quadro riassuntivo delle normative in materia di schermature solari Capitolo 2 Metodologia e strumenti Metodologia Strumenti I fogli di calcolo I software Meteonorm Design Builder e Energy Plus TRNSYS Il monitoraggio Capitolo 3 Il modello di studio ideale Descrizione del modello di studio L articolo di riferimento Caratteristiche dell'edificio Caratteristiche dei sistemi di schermatura Risultati dello studio Caratteristiche del modello di studio ideale I fogli di calcolo Apporti solari secondo la norma UNI/TS : Dati climatici Fattore di ombreggiatura Area soleggiata dei componenti trasparenti

3 Indice Flusso termico di origine solare attraverso i componenti trasparenti e apporti solari Apporti solari secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Dati climatici Fattore di ombreggiatura Area soleggiata dei componenti trasparenti Flusso termico di origine solare attraverso i componenti trasparenti e apporti solari I software Design Builder e Energy Plus Input dei dati generali Modellazione delle schermature TRNSYS Input dei dati generali Modellazione delle schermature Studio del modello ideale nella città di Ancona Capitolo 4 Il caso di studio reale Descrizione del caso di studio L edificio La stanza oggetto del monitoraggio e dello studio Caratteristiche della stanza Caratteristiche dei sistemi di schermatura Il monitoraggio Gli strumenti per il monitoraggio Centralina meteorologica esterna Centralina meteorologica esterna Centralina microclimatica interna Altri strumenti Il progetto di monitoraggio I fogli di calcolo Apporti solari secondo la norma UNI/TS : Dati climatici Fattore di ombreggiatura Area soleggiata dei componenti trasparenti Flusso termico di origine solare attraverso i componenti trasparenti e apporti solari Apporti solari secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Dati climatici Fattore di ombreggiatura Area soleggiata dei componenti trasparenti Flusso termico di origine solare attraverso i componenti trasparenti e apporti solari Criterio del Protocollo ITACA - Controllo della Radiazione Solare

4 Indice 4.4 I software Design Builder e Energy Plus Input dei dati generali Modellazione delle schermature TRNSYS Input dei dati generali Modellazione delle schermature Analisi parametrica Situazione senza schermature Variazione della posizione delle schermature rispetto alla finestra Variazione delle proprietà spettrali delle schermature Variazione delle caratteristiche degli edifici (confronto fra il modello di studio ideale e il caso di studio reale situati nella stessa località geografica) Capitolo 5 Risultati Il modello di studio ideale Incidenza dei diversi sistemi di schermatura sugli apporti solari Foglio di calcolo secondo la norma UNI/TS : Foglio di calcolo secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Design Builder e Energy Plus TRNSYS Influenza della posizione geografica sugli apporti solari Foglio di calcolo secondo la norma UNI/TS : Foglio di calcolo secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Design Builder e Energy Plus TRNSYS Confronto fra i diversi metodi di calcolo Il caso di studio reale Il monitoraggio Affidabilità dei software utilizzati Design Builder e Energy Plus TRNSYS Confronto fra i software utilizzati Incidenza del telaio esterno in calcestruzzo sugli apporti solari Foglio di calcolo secondo la norma UNI/TS : Foglio di calcolo secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Design Builder e Energy Plus Confronto fra i diversi metodi di calcolo Incidenza della posizione delle schermature rispetto alla finestra sulla loro efficacia Foglio di calcolo secondo la norma UNI/TS : Foglio di calcolo secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Design Builder e Energy Plus

5 Indice Confronto fra i diversi metodi di calcolo Incidenza del colore delle schermature sulla loro efficacia Foglio di calcolo secondo la norma UNI/TS : Foglio di calcolo secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Design Builder e Energy Plus Confronto fra i diversi metodi di calcolo Confronto fra il modello di studio ideale e il caso di studio reale situati nella stessa località geografica Foglio di calcolo secondo la norma UNI/TS : Foglio di calcolo secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia Design Builder e Energy Plus Confronto fra i diversi metodi di calcolo Conclusioni Appendice A Le schermature solari A.1 Tipologie di sistemi schermanti A.1.1 Sistemi di schermatura tradizionali A.1.2 Altri sistemi di schermatura Appendice B I fogli di calcolo B.1 Apporti solari secondo la norma UNI/TS : B.2 Apporti solari secondo la DGR 5796/2009_Regione Lombardia B.3 I fogli di calcolo di supporto: il calcolo della trasmittanza di energia solare Appendice C Norme a supporto dei fogli di calcolo C.1 Dati climatici: Norma UNI C.2 Fattore di riduzione per ombreggiatura: Appendice D della norma UNI/TS : Bibliografia

6 Introduzione INTRODUZIONE In questi anni assistiamo ad un risveglio dell interesse verso le fonti di energia rinnovabili e verso l efficienza energetica nella sua accezione più generale. Questa esigenza nasce da molteplici problematiche: da un lato quelle economiche legate all aumento del prezzo degli idrocarburi, dall altro quelle sociali derivanti da una maggiore responsabilità ambientale e da una crescente necessità di ritorno alla natura. Il rapporto uomo natura portato avanti fino ad ora, basato sullo sfruttamento indiscriminato delle risorse, non è più sostenibile, e la situazione di degrado ambientale in cui viviamo ne è una prova continua. Anche il mondo politico, seppur con lentezza, si è attivato in questa direzione e dal 1998, quando venne ratificato il Protocollo di Kyoto, molti provvedimenti per la tutela dell ambiente sono entrati gradualmente a far parte della vita dei cittadini dei Paesi aderenti, come la certificazione energetica degli edifici e degli elettrodomestici o le classi di emissione di inquinanti per le automobili. Nel settore edilizio, in particolare negli ultimi dieci anni, c è stato un forte impulso legislativo comunitario verso l efficienza energetica. Allo stato attuale, però, la certificazione energetica degli edifici è ancora un concetto poco chiaro e aperto alle più disparate interpretazioni. Le ragioni di questa situazione vanno cercate in parte in una normativa non ancora completa ed esauriente ed in parte in una reale difficoltà tecnica nel prendere in considerazione alcune delle problematiche energetiche in edilizia. Nel sistema edilizio, infatti, entrano in gioco una grande quantità di parametri che influenzano il suo comportamento energetico; essi riguardano problematiche ambientali, strutturali, impiantistiche e perfino sociali e personali, dal momento che il comportamento degli occupanti può influire in modo determinante sui consumi energetici. Fino a pochi anni fa si pensava che il consumo di risorse da contenere fosse solo quello riferito al riscaldamento nel periodo invernale; in realtà la ricerca nel campo del miglioramento delle prestazioni termiche dell involucro degli edifici riguarda oggi e in misura sempre maggiore, in particolare nei climi mediterranei, il periodo estivo. Basti pensare agli edifici destinati ad uso uffici e al terziario, dove, per la presenza di ampie vetrate e di un elevato numero di apparecchi elettronici che sono fonti di calore utili in inverno, si assiste in estate ad un elevato surriscaldamento, che rende necessaria l installazione di impianti di raffrescamento. 5

7 Introduzione Fra tutti i sistemi utilizzati per la riduzione dei consumi, le schermature solari, ancora poco sfruttate in edifici del tipo sopra citato, sono classificate come sistema passivo per il controllo dei consumi energetici, poiché riducono la quantità di energia solare entrante evitando il surriscaldamento dell'ambiente interno senza utilizzare sistemi alimentati da fonti energetiche esterne; soprattutto se abbinate ad altri sistemi passivi per il raffrescamento, come la ventilazione naturale, le schermature solari consentono di ridurre in modo considerevole i consumi energetici legati agli impianti di condizionamento dell aria. Le schermature solari, infatti, sono gli elementi dell'involucro edilizio che hanno il compito di proteggere dai raggi solari le pareti e le finestre dell'edificio, creando effetti d'ombra sulla superficie esterna dell'involucro ed evitando così che la radiazione solare provochi un innalzamento della temperatura interna dell'edificio. Questa tesi affronta il tema delle schermature solari e del loro contributo all efficienza energetica degli edifici, un argomento ancora poco studiato soprattutto da un punto di vista sperimentale. Il problema principale in questo ambito risiede nel controllo ottimale della radiazione solare: se gli apporti solari risultano troppo elevati possono causare un eccessivo riscaldamento interno oltre a fastidiosi abbagliamenti, se al contrario risultano insufficienti, in particolare in inverno, inducono un utilizzo massiccio di energia per il riscaldamento e per l illuminazione. Il presente studio è iniziato con l analisi delle varie normative in materia di efficienza energetica e apporti solari in presenza o meno di sistemi di schermatura, per comprendere le differenze fra i diversi approcci e metodi di calcolo da esse proposti. Mediante l uso di fogli di calcolo elaborati secondo le normative vigenti e di software di simulazione dinamica (Design Builder + Energy Plus e TRNSYS), si è passati poi alla valutazione degli apporti solari attraverso le finestre per due stanze ad uso ufficio di due diversi edifici: il primo è un modello ideale, costituito da due stanze, una esposta a Nord ed una a Sud; lo studio si è concentrato su quest ultima, dotata di una finestra schermata a Sud e di finestre sui lati Est ed Ovest non schermate; il secondo è un edificio reale, l ampliamento della Facoltà di Medicina e Chirurgia dell Università Politecnica delle Marche, del quale è stata studiata una stanza situata all ultimo piano esposta a Sud e con una finestra schermata su questo lato. 6

8 Introduzione Su entrambi i modelli sono stati poi variati alcuni parametri, quali la distanza verticale fra le lamelle, l inclinazione delle stesse, la posizione geografica, la posizione delle schermature rispetto al vetro e il colore delle schermature, e ne sono state valutate le differenze in termini di apporti solari mensili in tutto l arco dell anno. Inoltre la conduzione di un attività sperimentale di monitoraggio e acquisizione di grandezze ambientali (temperatura, radiazione solare, ) sull edificio studiato ha permesso di comprendere la reale efficacia in fase estiva di quegli specifici sistemi di schermatura e, attraverso il confronto dei dati acquisiti con i risultati derivanti dai software di simulazione in termini di temperature e radiazione assorbita dalle finestre, la maggiore o minore affidabilità di questi ultimi. Infine, constatata l efficacia dei sistemi di schermatura per finestre esposte a Sud nel miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici, attraverso il confronto fra i due casi studiati, dalle caratteristiche diverse ma con sistemi di schermatura simili, è stato possibile capire l entità degli apporti solari attraverso le finestre esposte ad Est ed Ovest in tutto l arco dell anno nella città di Ancona, valutando quindi la necessità di schermare anche queste. 7

9 8