Sezione 1. Cenni di geometria solare. Altezza solare a E' l'angolo formato tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale.

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2 Sezione 1 Cenni di geometria solare L irraggiamento solare può contribuire sensibilmente al fabbisogno energetico invernale ed aggravare i carichi estivi, quindi è molto importante valutare il rapporto edificio-sole nel corso dell anno. L analisi della geometria solare mostra come durante i mesi invernali, il sole assuma un altezza sull orizzonte inferiore rispetto al periodo estivo ed il suo percorso giornaliero è più corto. La massima altezza sull orizzonte il sole la raggiunge nel mezzogiorno del solstizio invernale (21 dicembre). Altezza solare a E' l'angolo formato tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale. Azimut solare g E' l'angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale dei raggi solari e la direzione sud; è positivo se la proiezione cade verso est ed è negativo se la proiezione cade verso ovest. 27

3 1. diagramma 41 La distribuzione dell energia solare sulle superfici di un edificio, verticali ed orizzontali, risente della geometria solare. In generale, per l Italia è possibile affermare che: la superficie verticale sud riceve più energia nei mesi invernali rispetto a quelli estivi la superficie orizzontale riceve più energia nei mesi estivi rispetto a quelli invernali le superfici verticali est ed ovest ricevono più energia nei mesi estivi rispetto a quelli invernali, ma meno delle superfici orizzontali la superficie verticale nord non riceve energia nel periodo invernale e poca nel periodo estivo. 28

4 Sezione 2 Cenni di trasmissione del calore Le modalità fisiche con cui avviene un trasferimento di energia (scambio termico) che, ricordiamo, avviene ogni qualvolta vi sia una differenza di temperatura tra l ambiente e la superficie, sono riconducibili a: conduzione, convezione ed irraggiamento. La convezione ha luogo quando uno dei due corpi interessati dallo scambio termico è un fluido, e la trasmissione del calore può essere associata ad un trasferimento di materia. In un fluido a temperatura non uniforme, per effetto combinato di un campo di temperatura e di velocità, si determina una distribuzione dei valori di densità variabile da punto a punto, conseguenza dei fenomeni di dilatazione termica. In questi casi le forze gravitazionali provocano continui movimenti delle particelle del fluido, con conseguente miscelazione, favorendo pertanto la trasmissione del calore dalle particelle più calde a quelle più fredde. Questo fenomeno prende il nome di convezione naturale. Quando invece i movimenti delle particelle del fluido sono imposti essenzialmente da cause meccaniche (una pompa, nel caso di circolazione dell acqua, o semplicemente l azione del vento), il fenomeno prende il nome di convezione forzata. Ad esempio si ha convezione quando tra due corpi circola un fluido intermedio (detto fluido termovettore), che si riscalda per conduzione a contatto con il corpo caldo, e poi cede il calore quando viene a contatto con il corpo freddo. In entrambi i casi, la quantità di calore scambiata è proporzionale alla differenza di temperatura. Il trasferimento per conduzione avviene tra corpi che sono a contatto, o tra parti di uno stesso corpo che si trovano a temperature diverse. Esso è causato dal trasferimento di energia cinetica da una molecola a quella adiacente che possiede una velocità di vibrazione minore. Poiché la velocità di vibrazione delle particelle è direttamente proporzionale alla temperatura, il corpo caldo cede energia a quello freddo, aumentandone la temperatura, finché non è raggiunto l equilibrio termico. Prendiamo ad esempio, come indicato in figura, due corpi a temperature diverse. Una volta posti in contatto, per conduzione il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo, finché essi raggiungono una temperatura d equilibrio. Nell irraggiamento il calore viene scambiato mediante emissione e assorbimento di radiazione elettromagnetica. Il calore così scambiato aumenta molto rapidamente con la differenza di temperatura. A differenza delle altre due modalità di scambio termico, l irraggiamento non richiede la presenza di un mezzo perché vi sia trasmissione di energia. La radiazione elettromagnetica che opera da "trasmettitore"di calore, è generata dall eccitazione termica della superficie del corpo, 29

5 a sua volta causata dallo stato energetico degli atomi che la costituiscono, ed è emessa in tutte le direzioni. Quindi in questo caso il corpo avente temperatura maggiore emette radiazioni elettromagnetiche che vengono assorbite dal corpo più freddo, come si vede in figura dove sono rappresentate soltanto le radiazioni termiche che investono il corpo freddo. L inerzia termica di una struttura consiste nella sua capacità di opporsi al passaggio del flusso di calore e di assorbirne una quota, senza rilasciarlo in maniera immediata e contribuendo al contenimento delle oscillazioni della temperatura interna. I Fattori determinanti del comportamento inerziale sono: Lo sfasamento è la differenza di tempo che intercorre tra l ora in cui si ha la massima temperatura all esterno e l ora in cui si ha la massima temperatura all interno, e non deve essere inferiore alle 8/12 ore; L attenuazione esprime il rapporto tra la variazione massima della temperatura esterna ΔTe e quella della temperatura interna ΔTi in riferimento alla temperatura media della superficie interna. 1. il comportamento energetico delle chiusure La trasmittanza (U) esprime gli scambi termici che avvengono attraverso una parete per conduzione, convenzione e irraggiamento, rappresenta il flusso del calore che attraversa 1mq di parete, nell unità di tempo, per una differenza di temperatura pari a 1 C tra l interno e l esterno del locale. La conducibilita termica o conduttività termica (normalmente indicata con la lettera greca λ) è il flusso di calore Q (misurato in J/s ovvero W) che attraversa una superficie unitaria A di spessore unitario d sottoposta ad un gradiente termico ΔT di un grado Kelvin (o Celsius). Dipende dalle caratteristiche fisico-chimiche del materiale preso in esame, quelli a bassa conducibilità termica sono definiti isolanti (termici). Il beneficio in termini di comfort nel periodo estivo è tanto maggiore quanto più elevati sono i valori di sfasamento e di smorzamento del flusso termico. Le capacità di sfasamento e di smorzamento dell onda termica combinate consentono l ottimale protezione dalle escursioni termiche sia in estate che in inverno, garantendo così il massimo comfort abitativo. La resistenza termica (R) è definita come il rapporto tra lo spessore d dello strato considerato e la sua conducibilità termica λ. La resistenza termica di una parete composta da più strati sarà la somma delle resistenze termiche di ciascun strato 30

6 aumentare al massimo l inerzia termica dell involucro edilizio per evitare che le condizioni termo-igrometriche ricreate all interno si disperdano all esterno. Lo si adotta per climi estremi, caratterizzati da valori eccessivamente alti e bassi delle temperature. L edificio è inteso come una caverna, dove fa fresco d estate e caldo d inverno perché è tutta chiusa su se stessa, pesante e priva di aperture. Modello energetico selettivo Vuole filtrare dall esterno le condizioni climatiche che si desidera ottenere all interno. Per questo motivo si avvale di elementi tecnologici che lasciano passare la luce del sole per il riscaldamento passivo e l illuminazione. E tipico dei climi tropicali, caratterizzati da alti valori dell umidità relativa, ventilazione e soleggiamento. 3. Concetto di involucro L involucro è il sotto - sistema fisico a cui è affidato il compito di delineare e delimitare le relazioni con l ambiente esterno e di materializzare le accezioni stilistiche e prestazionali che da ciò discendono. Sistema pesante e leggero dal punto di vista energetico 2. Modelli di comportamento energetico secondo Reyner Banham L involucro è contemporaneamente elemento di frontiera (cioè di delimitazione e conclusione perimetrale dell organismo costruttivo e strutturale), elemento funzionale (cioè di mediazione, separazione e connessione tra due spazi adiacenti, l interno e l esterno) ed elemento ambientale (cioè di delimitazione e identificazione degli spazi esterni circostanti). Modello energetico rigenerativo E un modello che si affida agli impianti di condizionamento artificiale per ricreare all interno dell abitazione le condizioni termo-igrometriche desiderate. Un modello che ha senso e può essere definito eco solo quando le macchine di cui si serve sono alimentate con energia derivata da fonti rinnovabili. E ideale a tutte le latitudini: si addice a qualsiasi tipo di clima. Modello bioclimatico avanzato E anche detto ecoefficiente o ambientalmente interattivo. Questo modello propone una totale armonia tra contesto ed edificio, una simbiosi che consente di ottenere condizioni climatiche interne ottimali. La progettazione architettonica infatti, secondo questo modello, sarà fatta considerando la presenza e l importanza di elementi naturali vento, sole e terreno. L orientamento dell edificio, la gestione degli spazi interni, la presenza e la disposizione delle aperture, ogni dettaglio dovrà essere progettato tenendo conto dell influenza dell ambiente esterno. Modello energetico conservativo Tale modello si basa sull impiego di grandi masse d involucro con grandi spessori, poche aperture di dimensioni ridotte e volumi compatti. L intento è quello di 31

7 Sezione 3 Architettura bioclimatica: criteri guida l uso di convertitori fotovoltaici (integrazione di elementi fotovoltaici nell involucro degli edifici). 1. Orientamento Permette di sfruttare in modo mirato il soleggiamento invernale e l ombreggiamento estivo e la loro giustapposizione attraverso la direzione del corpo di fabbrica, l ubicazione e dimensioni delle parti vetrate, il dosaggio delle caratteristiche termo-isolanti e del colore dei materiali impiegati per le chiusure e le partizioni. La distribuzione degli spazi interni deve considerare sia come l energia solare si distribuisce durante la giornata sia come e quando le attività si svolgono all interno dell edificio. L'edificio non va più concepito come un elemento passivo che fagocita enormi quantità di energia, ma come strumento di produzione diretta di energia, utilizzabile in loco e/o a distanza (tramite la rete di distribuzione) al fine di soddisfare le richieste energetiche. In linea generale, gli spazi con attività che hanno maggiori esigenze di comfort devono essere posizionati sul lato più soleggiato, mentre servizi, corridoi, garage, lavanderie, ripostigli, possono essere disposti a nord, in modo da fungere anche da zona cuscinetto tra gli spazi riscaldati ed il lato nord. Le stanze da letto saranno situate sui lati est e sud-est. Ad ovest si possono ubicare servizi e studi. La progettazione di questi edifici "energeticamente intelligenti" può essere eseguita seguendo fondamentalmente due approcci progettuali tra loro compatibili: Naturalmente è necessario prevenire il surriscaldamento estivo dei locali situati sul lato sud ed ovest con opportuni sistemi di schermature solari. la progettazione secondo criteri bioclimatici (sistemi solari passivi) Nei sistemi passivi l edificio stesso, attraverso i suoi elementi costruttivi, capta, accumula e trasporta al suo interno l energia ricavata da fonti rinnovabili. l'integrazione alle strutture edilizie dei sistemi solari attivi I sistemi attivi captano, accumulano e utilizzano l energia proveniente da fonti rinnovabili con una tecnologia di tipo impiantistico. L architettura bioclimatica si occupa principalmente dello studio delle soluzioni tipologiche e delle prestazioni dei sistemi tecnologici che rispondono maggiormente alle caratteristiche ambientali del sito e che consentono di raggiungere condizioni di benessere all interno degli edifici. Tra i criteri fondamentali della progettazione bioclimatica citiamo: la conservazione dell energia (isolamento e inerzia termica, controllo dei fenomeni di condensazione, dei ponti termici e ventilazione) illuminazione naturale (adeguata posizione e dimensionamento delle superfici trasparenti, uso di sistemi di riflessione/canalizzazione della luce); il raffrescamento passivo (protezione dall irraggiamento solare, inerzia termica, adozione di sistemi naturali di raffreddamento per ventilazione, irraggiamento notturno ed evaporazione); 32

8 2. Geometria e dimensioni Nuvolosità Geometria, dimensioni, coefficiente di forma, calibrati in modo da ottenere una morfologia compatta, se il fine è di ridurre al minimo la dispersione o l apporto termico; una morfologia verticale a lastra se l obiettivo è quello di ottenere un buon soleggiamento invernale; una morfologia orizzontale a piastra se lo scopo è quello di favorire il soleggiamento estivo. Precipitazioni 3. Controllo del soleggiamento Le schermature solari opportunamente disposte e dimensionate secondo il percorso e l altezza del sole sull orizzonte, possono offrire una controllata ombreggiatura estiva senza ostacolare il soleggiamento nella stagione invernale. 4. Superfici trasparenti Ore di sole Radiazione solare globale L Italia appartiene alla zona climatica temperata che presenta le condizioni climatiche più varie: pioggia, neve, vento freddo, clima secco estivo, freddo-piovoso invernale sono tutti fenomeni più che probabili. Pur essendo nella zona temperata esistono tuttavia all interno del territorio italiano tre diverse regioni climatiche: regione a clima montano (Alpi ed Appennini: intenso freddo invernale, mitezza estiva, venti gelidi, pioggia, neve) regione a clima mite (pianure, zone costiere, zone collinari: estate calda, inverno freddo, pioggia possibilità di neve, venti) Le dimensioni e la tipologia costruttiva sono elementi determinanti per consentire o meno l insolazione, la dispersione termica e l illuminazione. L illuminazione naturale dipende dall adeguata posizione e dimensionamento delle superfici trasparenti, e dall eventuale uso di sistemi di riflessione/canalizzazione della luce. Un involucro efficiente dovrà ottimizzare lo sfruttamento della luce naturale, compatibilmente con le necessità di schermatura dai carichi termici estivi correlati. regione a clima caldo principalmente secco (zone interne ed in generale il sud della penisola: pioggia scarsa, eccezionalmente neve, venti) 5. Impianti efficienti Per i climi più freddi, le murature dell involucro esterno sono costruite con materiali che riducono le dispersioni termiche, presentano aperture i cui infissi sono caratterizzati da una efficace capacità di isolamento termico, proponendo un modello di climatizzazione definito conservativo, in quanto progettato per accumulare calore solare durante le ore diurne e conservarlo anche durante la notte. Gli impianti tecnologici nei nuovi edifici devono garantire la massima efficienza nella resa, nel rispetto del consumo di combustibile fossile, e significative riduzioni di CO2 in atmosfera. Le tecnologie per la produzione del caldo e del freddo, oltre ai sistemi per l illuminazione artificiale degli edifici, devono far parte integrante del progetto complessivo e delle strategie rivolte al contenimento dei consumi energetici. 6. Fattori climatici e micro-climatici Agiscono come un campo di forze sull organismo edilizio. La conoscenza di questi dati insieme alla definizione degli obiettivi, permette di operare scelte progettuali opportune, trovando la giusta combinazione fra orientamento, caratteristiche morfologiche, dimensionali, distributive e tecnologiche, risparmiando e usando razionalmente risorse energetiche ed ambientali. Dati significativi: Temperatura (media, medie max e min ed estreme) Umidità relativa Venti prevalenti nelle due condizioni: estate e inverno Frequenza e velocità media del vento 7. Strategie di controllo climatico Rispetto ai fattori climatici è possibile fare alcune considerazioni di carattere generale rispetto alle strategie di controllo e di mitigazione: Per i climi più caldi, le strategie di controllo devono essere concepite in modo da consentire la difesa dal caldo e dall umidità, adottando un metodo definito dissipativo, che disperde il calore diurno, attraverso opportuni sistemi di ventilazione naturale. 8.Dati climatici significativi utilizzabili Si può fare riferimento ai dati climatici rilevati dalla stazione metereologica di Napoli Capodichino (reperibili on line). In particolare a: venti prevalenti (direzione e velocità) precipitazioni (mm di pioggia) Per i dati di temperatura e irragiamento si fornisce la seguente tabella. 33

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10 Sezione 4 Sistemi solari passivi I sistemi solari passivi sono tecnologie applicate al costruito impiegate al fine di regolare gli scambi termici tra esterno ed interno dell edificio facendo uso della radiazione solare come fonte energetica e sfruttando, come elementi captanti e d accumulo, componenti edilizi sia d involucro che interni. Elementi essenziali dei sistemi solari passivi sono: raggiunte una volta che l impianto sarà spento. Al contrario, se l isolamento termico viene posto sul lato esterno di una chiusura, la massa termica della stessa viene inglobata in quella dell ambiente. In questo modo le fluttuazioni delle temperature sia dell aria, sia superficiali, risultano essere mitigate. Sotto queste condizioni l ambiente impiega più tempo a riscaldarsi e raffreddarsi rispetto a quanto avveniva nel caso precedente. Alla base del funzionamento dei sistemi solari passivi c è l effetto serra legato alle specifiche caratteristiche del vetro. I vetri sono trasparenti alle radiazioni solari visibili ed infrarosse di piccola lunghezza d onda (da 0,4 a 2,5 micrometri) ma sono opachi alle radiazioni di lunghezza d onda superiore. La radiazione solare termica viene trasmessa quasi completamente nell ambiente interno, investendo le superfici presenti ed aumentandone la temperatura. Queste a loro volta riemettono energia termica sottoforma di radiazioni infrarosse di lunghezza d onda superiore ai 3 μm per le quali il vetro risulta opaco. i collettori elementi destinati alla captazione solare, prevalentemente collocati sull involucro edilizio in parti ben esposte alla radiazione solare, (fronti a sud e coperture) sono costituiti da superfici trasparenti e da assorbitori costituiti da superfici opache e scure che, esposte alla radiazione solare che penetra dalla superficie trasparente, la convertono in calore. Le masse di accumulo Destinate ad immagazzinare calore e a ricederlo in assenza di sole, prolungando il funzionamento dei sistemi solari passivi. I componenti di controllo Servono a regolare il funzionamento dei sistemi solari passivi nel ciclo giornaliero (giorno/notte ) e stagionale. Nei sistemi solari passivi riveste una grande importanza l isolamento termico sia delle parti murarie che delle parti vetrate (nelle ore in cui non svolgono funzione di collettore), in generale, è preferibile che l isolamento sia esterno (lato freddo). L effetto serra La posizione in cui lo strato isolante viene inserito nella chiusura ha ripercussioni sulla dinamica dello scambio termico, sebbene in regime stazionario esso risulti essere ininfluente. Posizionando l isolamento sul lato interno di una chiusura se ne separa la massa termica dal contatto diretto con l ambiente. In questo modo esso sarà portato a regime molto più rapidamente da un eventuale impianto di climatizzazione, così come si allontanerà velocemente dalle condizioni di equilibrio 35

11 I sistemi solari passivi si suddividono: in diretti, indiretti ed isolati. Funzionamento invernale 1. Sistemi diretti Gli schermi oscuranti predisposti lungo le pareti o al di sotto della copertura se vetrata, per regolare l isolamento termico, restano aperti durante le ore diurne per consentire l ingresso della luce e della radiazione solare. Il sistema diretto presenta ampie vetrate esposte a sud aperte direttamente sull ambiente interno che dispone di sufficienti masse di accumulo termico che svolgono anche altre funzioni (es. pareti e pavimenti). L energia radiante viene riceduta per convezione e irraggiamento. Di notte, invece, vengono abbassati per ridurre le dispersioni termiche, mentre le finestre tra il vano riscaldato (se presenti) e la serra vengono aperte o chiuse a seconda della differenze di temperatura tra le due zone. In assenza di sole, le pareti restituiscono all ambiente l energia termica incorporata, comportandosi come un volano che rallenta il processo di raffreddamento dell aria dell ambiente. In questa fase è determinante isolare la superficie trasparente per evitare dispersione di calore verso l esterno. Captazione: superficie trasparente (Vetrata) per irraggiamento ed effetto serra. Accumulo: materiali ad elevata inerzia termica; divisori più sottili potranno essere usati come superfici riflettenti (con colorazione chiara). Distribuzione: mediante le superfici di accumulo soprattutto per irraggiamento. Funzionamento estivo Gli schermi oscuranti predisposti lungo le pareti o al di sotto della copertura se vetrata, per regolare l isolamento termico, restano chiuse durante le ore diurne per impedire l ingresso della luce e della radiazione solare. Serra È un vano non riscaldato realizzato con materiale trasparente (vetro o policarbonato), rivolto verso sud che funziona come sistema solare passivo. La serra può essere addossata ad un corpo di fabbrica, inserita come atrio interno ad edifici, o integrata nei componenti di chiusura. Nel caso in cui venga addossata ad un corpo di fabbrica la serra consente un passaggio graduale dal microclima degli ambienti interni a quelli dell ambiente esterno (guadagno indiretto). Di notte, invece, vengono lasciate aperte per aumentare le dispersioni termiche, mentre le finestre tra il vano riscaldato e la serra (se presenti) vengono aperte o chiuse a seconda della differenze di temperatura tra le due zone. Il sistema migliore, per quanto riguarda la stagione estiva, consiste nel controllare la termo-circolazione dell aria mediante la sistemazione di apposite aperture poste alla base e alla sommità delle serra. 36

12 2. Sistemi a guadagno indiretto Funzionamento estivo Nei sistemi a guadagno indiretto, l accumulatore termico fa parte dell involucro che riceve direttamente la radiazione solare per restituirla poi allo spazio interno sotto forma di energia termica. Il sistema può funzionare da camino solare per rinfrescare la superficie esterna dell elemento murario e per evitare fenomeni di surriscaldamento dovuti all irraggiamento. Occorrerà però dotare la superficie vetrata di opportune aperture verso l esterno, in modo da favorire una circolazione convettiva dell aria nell intercapedine. Muri di Trombe-Michel È un sistema solare passivo a guadagno indiretto avente la funzione di assorbire la radiazione solare e trasmetterla all ambiente interno. La superficie di captazione generalmente è rappresentata da una superficie vetrata esposta a sud posta ad una distanza di circa cm davanti all accumulatore termico, costituito da un elemento murario verticale realizzato in laterizi, pietre, calcestruzzo, ecc. Il sistema funziona grazie all effetto serra creato all interno della cavità prevista tra il sistema vetrato e il muro. Funzionamento invernale I raggi solari lambiscono la superficie vetrata esposta a sud, riscaldando l aria all interno della cavità tra il sistema vetrato e il muro, il calore così prodotto viene distribuito all interno degli spazi abitati secondo due modalità: a. attraverso una serie di fessure aperte nella zona superiore ed inferiore del muro che generano una circolazione termosifonica determinata dai moti convettivi dell aria, che riscaldata dall effetto serra sale verso la bocchetta superiore entrando negli ambienti e uscendone raffreddata dalle aperture inferiori; b. il calore fuoriesce per convenzione ed irraggiamento dalla superficie interna del muro, grazie all inerzia termica del muro stesso. Alcuni schermi esterni mobili predisposti lungo la superficie vetrata, di notte verranno abbassati per ridurre le dispersioni termiche. Sistema Barra Costantini È un sistema costituito da un camino solare, da diversi condotti di percorrenza dell aria fredda e calda e da alcune aperture nell ambiente da riscaldare, situate sul soffitto e nelle zone basse delle pareti a sud. Poiché l accumulo è posto in una zona lontana dall involucro disperdente, il sistema possiede prestazioni migliori del muro trombe, perché consente di ridurre le dispersioni che si avrebbero in prossimità dell involucro. Il camino solare è localizzato sulla parete sud e comprende: superficie esterna trasparente, prima intercapedine d aria, lastra metallica scura (assorbitore) che forma, con la massa muraria interna isolata, una seconda intercapedine. Funzionamento invernale Di giorno, l aria che lambisce entrambe le facce dell assorbitore metallico si riscalda e quindi per convezione sale verso il condotto posto in alto dove trasmette il calore anche ai sistemi di accumulo, situati/integrati nella pelle interna dell edificio. Durante la notte, il calore viene ceduto all ambiente interno debitamente isolato. Funzionamento estivo Il sistema favorisce la ventilazione trasversale grazie all effetto camino dell intercapedine interna, assicurato dalle aperture collocate nella parte alta della chiusura per la fuoriuscita dell aria calda. Tale meccanismo può ricevere un 37

13 contributo in termini di efficienza dalla corretta disposizione delle aperture su fronti opposti nonché dall altezza delle stesse. Funzionamento estivo Nel periodo diurno i contenitori sono coperti e l acqua assorbe il calore proveniente dall ambiente sottostante. Di notte i contenitori vengono scoperti e cedono il calore accumulato all esterno. Roof-pond Il sistema è costituito da una massa termica (acqua spessori compresi tra 15 e 40 cm) sulla copertura, sorretta da un solaio ad elevata conducibilità termica. Funzionamento invernale Durante le ore diurne avviene un accumulo di energia nella massa d acqua. Di notte i contenitori di acqua vengono coperti con pannelli isolanti e il calore ceduto agli ambienti sottostanti attraverso il solaio. 38

14 Sezione 5 Sistemi solari attivi Questi tipi di sistemi captano, accumulano e utilizzano l energia proveniente da fonti rinnovabili con una tecnologia di tipo impiantistico. Nel campo termico, abbiamo, per esempio, i collettori solari che trasformano l energia della radiazione solare in energia termica utilizzando l aria o l acqua come fluido di trasferimento; le pompe di calore geotermiche che sono apparecchi in grado di prelevare calore da una "fonte fredda" e trasferirlo ad un altro corpo più caldo, il corpo freddo a cui si sottrae calore nel periodo invernale è il terreno ed il corpo caldo che lo riceve è solitamente un abitazione, ma sono in grado di operare anche il ciclo inverso in estate. I pannelli solari piani utilizzano le tre componenti della radiazione solare e sfruttano l effetto serra. La copertura trasparente è infatti realizzata con materiali trasparenti alla radiazione solare incidente, ma opachi alla radiazione infrarossa re-irraggiata. L energia termica proveniente dal sole, viene così catturata all interno del pannello e trasferita al fluido termo-vettore. Per limitare le perdite di calore verso l esterno le zone laterali e posteriore vengono poi protette con materiale isolante. 1. Pannelli solari Tutti i sistemi a circolazione naturale si basano sul principio che il fluido del circuito primario, riscaldato dal sole diminuisce la propria densità diventa più leggero e sale verso l alto, provocando un movimento naturale del fluido medesimo. Nei sistemi a circolazione naturale il serbatoio di accumulo dell acqua deve essere sempre posizionato più in alto del pannello ed a breve distanza dal medesimo. Il collettore piano ad acqua (o pannello solare) serve a catturare l energia che giunge dal Sole sulla Terra e ad utilizzarla per produrre acqua calda ad una temperatura dell ordine di C. Tipologie di impianto L acqua calda prodotta da un collettore solare è mediamente pari a litri/giorno per ogni metro quadro di pannello installato. Il serbatoio abbinato è di circa litri per mq di pannello. Per calcolare le dimensioni del pannello solare da installare si deve tener del numero dei membri della famiglia e quindi del prevedibile consumo di acqua calda della famiglia medesima, il consumo giornaliero per persona d acqua calda (ad una temperatura di circa 45 C) è attualmente stimato intorno ai 70 litri/giorno. Mediamente va calcolata una superficie pari a circa 0,5 mq a persona. Sono formati da: Il principio di funzionamento di un impianto a circolazione forzata differisce da quello a circolazione naturale per il fatto che il fluido, contenuto nel collettore solare, scorre nel circuito chiuso per effetto della spinta fornita da una pompa comandata da una centralina o termostato attivata, a sua volta, da sonde poste sul collettore e nel serbatoio. Ciò consente la collocazione del serbatoio. a) una superficie assorbente; Tra i sistemi attivi abbiamo gli impianti a pannelli fotovoltaici, le macchine eoliche e gli impianti idroelettrici (più adatti ad usi di vasta scala). La tecnologia fotovoltaica (FV) consente di trasformare direttamente l'energia associata alla radiazione solare in energia elettrica, essa sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico che è basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (fra cui il silicio) che, opportunamente trattati e collegati tra loro, sono in grado di generare elettricità se colpiti dalla radiazione solare, senza quindi l'uso di alcun combustibile. b) una rete di tubazioni nella quale scorre il fluido termovettore; c) una copertura trasparente; d) un rivestimento isolante; e) una struttura di contenimento che costituisce l involucro esterno 2. Sistemi per la produzione di energia elettrica 39

15 L'energia del vento viene utilizzata mediante l'impiego di macchine eoliche (aeromotori) in grado di trasformare l'energia eolica in energia meccanica di rotazione, utilizzabile sia per l'azionamento diretto di macchine operatrici che per la produzione di energia elettrica attraverso delle dinamo (generatori eolici). I sistemi attivi risultano senz altro utili nell integrazione del fabbisogno energetico, la loro natura strettamente impiantistica limita la loro influenza nella progettazione di un organismo edilizio a soluzioni di integrazione o meno con l involucro architettonico. Fotovoltaico L elemento in cui avviene la conversione luce-elettricità è la cella fv che è generalmente costituita da un sottile wafer di silicio. Più celle sono collegate tra loro a formare moduli. I moduli possono avere dimensioni diverse (i più diffusi hanno superfici che vanno dai 0,5 mq ai 1,3 mq) e prevedono tipicamente 36 celle collegate elettricamente in serie. I modelli commerciali a base silicea, più comuni sono: Silicio monocristallino, in cui ogni cella è costituita da un wafer prodotto da un lingotto di silicio purissimo; Silicio policristallino, in cui il lingotto di cui sopra è prodotto mediante drogaggio chimico; Silicio amorfo, in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno; Ombreggiamento Rendimenti medi effettivi dei sistemi in commercio: Surriscaldamento dei pannelli 14% nei moduli in silicio monocristallino; 13% nei moduli in silicio policristallino; Imbrattamento delle superfici E necessario quindi in fase di progettazione disporre i pannelli in modo da: 6% nei moduli con celle in silicio amorfo. evitare zone d ombra Il generatore fotovoltaico è costituito dall insieme dei moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie ed in parallelo in modo da realizzare le condizioni operative desiderate. In particolare l elemento base del campo è il modulo fotovoltaico. Più moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello, mentre moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, formano la stringa. Infine il collegamento elettrico in parallelo di più stringhe costituisce il campo. garantire un certo grado di ventilazione sulle superfici posteriori: % infatti al crescere della temperatura diminuisce l efficienza fotovoltaica inoltre temperature troppo elevate possono danneggiare irreparabilmente celle e contatti elettrici L angolo di inclinazione della superficie fotovoltaica captante viene determinato come l angolo di latitudine meno 10 gradi. Quindi per la latitudine del nostro Paese, la posizione ottimale della superficie dei pannelli risulta quella a copertura dell edificio con esposizione a sud, e con un angolo di inclinazione di circa rispetto al piano orizzontale. Cause di riduzione di produttività di un impianto fotovoltaico possono essere: durante la fruizione è poi importante garantire un sufficiente livello di pulizia delle superfici fotovoltaiche. Principali tipologie impiantistiche SISTEMI ISOLATI (STAND-ALONE) Sono i sistemi non collegati alla rete elettrica e sono costituiti dai moduli fotovoltaici, dal regolatore di carica e da un sistema di batterie che garantisce l erogazione di corrente anche nelle ore di minore illuminazione o di buio. 40

16 La corrente generata dal sistema fotovoltaico è una corrente continua. Se l utenza è costituita da apparecchiature che prevedono una alimentazione in corrente alternata è necessario anche un convertitore: l inverter. SISTEMI CONNESSI ALLA RETE (GRID-CONNECTED) Sono impianti stabilmente collegati alla rete elettrica. Nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l energia necessaria a coprire la domanda di elettricità, la rete fornisce l energia richiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce energia elettrica in più, il surplus viene trasferito alla rete e contabilizzato. Come dimensionare un impianto Dimensionamento Sistema FV per una famiglia di 4 persone che vive in appartamento o villa singola di medie dimensioni con un consumo medio di circa Kwh anno e una superficie utile di involucro per l impianto asseganta. (Riferimento ai dati della tabella a pag.34 considerando che i valori forniti devono essere convertiti nelle unità di misura indicate nello schema di calcolo seguente). 1.% Calcolo dell irraggiamento medio annuo (Ima) come da tabella a pag. 34 a seconda dell inclinazione del pannello (a piano orizzontale, a piano inclinato, a piano verticale). 2. Caratteristiche dei moduli (riferimento schede tecniche componenti in commercio): Dimensioni del modulo, Superficie del modulo (Sm), Potenza del modulo (Pm in Wp). 3. Superficie utile (mq) (intesa come superficie non ombreggiata) Sg 4. Numero dei moduli fotovoltaici costituenti l impianto: N=Sg/Sm 5. Potenza di picco dell impianto Pp: Pp = Pm x N =... KWp 6.% L efficienza nominale (En) dell impianto fotovoltaico è data da: En = Pp/Sg =.. KWp/mq 7. L efficienza operativa media annua (E(o.m.a.)) dell impianto è data dal 75% di quella nominale En: E(o.m.a.)= En x 75% 8. L energia elettrica annua producibile per metro quadrato (Ep) è data da: Ep = E(o.m.a.) x Ima = KWh/mq/anno Modalità di integrazione architettonica % Applicazione per sovrapposizione Secondo questo metodo di installazione, i moduli solari vengono collocati tramite un apposita struttura sopra l involucro dell edificio, a poca distanza da esso e in modo da adattarsi alla configurazione della superficie di chiusura che funge da supporto. E frequentemente impiegata in interventi su coperture a falda e facciate. Per quanto riguarda lo svolgimento di funzioni di separazione esterno-interno, il ruolo strettamente edilizio dei pannelli sovrapposti potrebbe essere ridondante, in quanto essi non vanno a sostituire elementi o subsistemi tradizionali, ma ricoprono semplicemente delle superfici già dotate delle necessarie caratteristiche di tenuta, impermeabilizzazione, coibentazione etc. L integrazione nell edificio, non è reale ma solo visiva % Applicazione per integrazione Il termine integrazione si riferisce a quelle tecnologie di installazione dei moduli fotovoltaici che vedono questi inserirsi completamente nell organismo edilizio, svolgendo, oltre a quelle strettamente energetiche, anche alcune o tutte le funzioni riferibili a elementi e subsistemi di chiusura o schermatura. Per quanto riguarda la maggior parte delle installazioni per integrazione, i pannelli impiegati non sono quelli standard, adatti per qualsiasi tipo di applicazione, ma vengono appositamente studiati e realizzati per il loro impiego architettonico. Gli interventi appartenenti a questa categoria possono riguardare qualsiasi superficie dell involucro edilizio e generalmente vengono eseguiti nel caso di progettazioni ex-novo della costruzione, oppure quando essa sia 41

17 sottoposta a consistenti lavori di manutenzione straordinaria o di riqualificazione. 42

18 Sezione 6 Raffrescamento passivo Il raffrescamento passivo sfrutta i principi di ventilazione naturale favorendo lo scambio termico tra l edificio e aria a temperatura inferiore. La ventilazione è direttamente coinvolta nei sistemi di raffrescamento convettivo e può essere incrementata aumentando le differenze tra parametri metereologici quali temperatura e pressione tra le varie parti interne ed esterne all edificio. I sistemi di raffrescamento passivo in uso possono essere classificati in: Effetto camino Il raffrescamento passivo di un edificio si può ottenere, schematicamente, con le seguenti strategie: % respingere il calore proveniente dall esterno prima che raggiunga lo spazio da climatizzare o ridurre la quantità di calore prodotto all interno di un edificio (controllo termico); % dissipare il calore in eccesso tramite l uso di pozzi termici naturali (raffrescamento dissipativo o naturale). Tali strategie si attuano attraverso sistemi e tecniche che si differenziano in funzione: del tipo di fonte, modalità e tempo di trasferimento del calore, per quanto riguarda il controllo termico; del pozzo termico utilizzato, per quanto attiene il raffrescamento dissipativo. Le principali tecniche di raffrescamento naturale sono, in funzione del pozzo termico utilizzato: % La differenza di temperatura esistente fra l aria all interno e all esterno dell edificio, a causa della diversa densità, fa salire la colonna d aria più calda per effetto gravitazionale. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è l altezza fra le aperture di entrata e di uscita e maggiori sono le loro dimensioni, tanto più energico sarà l effetto camino. Il ricambio d aria per gravitazione è uno dei motivi per cui bisogna usare soffitti alti nel climi caldi. La hall centrale o la disposizione della tromba della scala nella casa meridionale multipiano era il riconoscimento, derivato dall esperienza, dell effetto camino. La velocità relativamente bassa della convezione naturale è però inadeguata per mitigare le alte temperature o per ovviare al disagio ausato dall umidità elevata. In queste condizioni è necessario ricorrere sempre alla forza del vento. Si può sfruttare l'effetto camino semplicemente creando una differenza di altezza nelle aperture e aumentare le differenze di temperature tra le varie parti dell edificio tramite ombreggiature. È comunque sempre opportuno far sì che tale effetto sia in qualche modo controllabile, tramite la regolazione delle aperture inferiori e superiori, per limitarne gli effetti in periodi in cui una eccessiva ventilazione sia indesiderata, come ad esempio nelle giornate invernali soleggiate ma fredde e ventose. raffrescamento microclimatico, realizzato con aria a temperatura più bassa di quella dell ambiente da raffrescare; % raffrescamento geotermico (passivo diretto, se avviene per contatto tra involucro e terreno, come negli edifici ipogei, o ibrido indiretto, se realizzato attraverso condotti interrati, ad aria o ad acqua); % raffrescamento evaporativo, basato sulla sottrazione del calore contenuto nell ariaimmessa in un ambiente, tramite il passaggio della medesima a contatto con superfici umide (bacini, canali, fontane, serpentine) o getti nebulizzati (sistemi passivi diretti), o apparecchiature (sistema ibrido indiretto), che inducono l evaporazione dell acqua stessa; % raffrescamento radiativo, attuato per dispersione notturna, verso il cielo sereno, del calore accumulato nelle strutture (sistema passivo diretto) o trasportato da un fluido, tramite pannelli radianti (sistema ibrido indiretto). 43

19 In estate la temperatura dell aria è simile all esterno e all interno dell edificio, per innescare l effetto camino si può ricorrere al camino solare, realizzando in testa ad una canna di ventilazione una costruzione a camera d'aria in posizione molto esposta al sole, in cui, per effetto serra, l'aria possa scaldarsi fortemente e, fuoriuscendo da aperture poste nella parte superiore, possa innescare una aspirazione dell'aria dai locali interni a cui è collegata. La torre del vento è una costruzione alta, una vera e propria torre, addossata o posta in sopraelevazione all'edificio principale. Alla sua sommità presenta delle aperture rivolte verso la direzione dominante dei venti, i quali entrano attraverso di queste ogni qual volta esercitino la spinta necessaria, per discendere sino nei locali abitati. Torri del vento Ventilazione per differenza di pressione La torre del vento è una particolare costruzione tipica delle zone mediorientale e nordafricana, in particolare dell'iran, in grado di captare il vento e di portarlo in basso verso i locali da raffrescare. È un sistema dell'architettura tradizionale che. viene, per la sua efficacia, tuttora impiegato in quelle zone. A causa delle caratteristiche climatiche e della presenza di ostacoli vari, quali gli alberi e gli edifici limitrofi, è approssimativamente possibile determinare una direzione e velocità prevalenti del vento in un determinato sito e considerarli rispetto alla posizione di un edificio, anche se in una data località in genere questi due parametri sono variabili. La torre può essere mantenuta umida in modo che l'evaporazione raffreddi le sue pareti e, di conseguenza, l'aria spinta all'interno che, diminuendo di temperatura, scenda più velocemente. Si ha quindi che uno dei lati dell'edificio è prevalentemente in stato di più o meno forte pressione a causa del vento, mentre il lato opposto risulta essere in depressione. È possibile sfruttare le differenze di pressione per raffrescare l'edificio. Infatti l'aria tende ad entrare dalle aperture poste sul lato in pressione, mentre tende ad uscire da quelle poste sul lato opposto. La collocazione delle aperture è più efficace quando l apertura di entrata è rivolta verso un area di alta pressione e quella di uscita verso una di bassa pressione. La ventilazione deve essere massima durante il giorno, in stagione estiva, nelle aree più utilizzate dagli abitanti e il flusso d'aria deve lambire le pareti più massicce, cioé quelle che accumulano la maggior parte del calore. 44

20 riscaldamento della terra e del mare: durante il giorno, le masse d'aria che sovrastano il mare, scivolano sotto a quelle sovrastanti la terra, le quali si sollevano a causa della diminuzione di densità conseguente al riscaldamento. Ciò è dovuto dal fatto che durante il giorno, la superficie della terra si riscalda più rapidamente del mare; di notte invece il fenomeno s'inverte, in quanto è il mare ad essere più caldo. Le brezze montane sono generate dal differente riscaldamento dell'aria circostante la vetta dei rilievi rispetto a quella, alla stessa quota, che sovrasta la valle. I rilevi inoltre influenzano la direzione e la velocità dei venti. La profondità della scia è in funzione delle dimensioni relative (Metodo Boutet) Vento Le correnti d'aria, rilevate in un determinato punto della superficie terrestre determinate dagli spostamenti delle masse d'aria, a causa delle differenti pressioni atmosferiche di due zone limitrofe, costituiscono il vento. Il vento è caratterizzato da tre parametri: la velocità, la direzione e la frequenza. ll regime dei venti (frequenza in giorni e velocità in metri al secondo, chilometri all ora o nodi) può consigliare la necessità di difendersi o la possibilità di utilizzo degli stessi per il raffrescamento e la ventilazione naturale degli ambienti confinati. A livello di microclima o clima locale, rivestono particolare importanza le brezze costiere e quelle montane. Le brezze costiere sono generate dall'ineguale 45

21 Direzione del vento e disposizione delle abitazioni Edificio isolato Un edificio collocato lungo un flusso d aria ne riduce la velocità e ne cambia la direzione, modificando il campo di pressione atmosferica nell intorno dell edifico. La scia costituisce la porzione di flusso d aria che viene modificata dalla presenza dell ostacolo, e si sviluppa solitamente a valle dell ostacolo, dove avviene la depressione. Modificazione del flusso d aria prodotta da un edificio che ostacola il vento. Pressione più alta di quella atmosferica ambientale (+), più bassa (-) 46

22 Agglomerati di edifici Nel caso di più edifici raggruppati essi producono una modificazione del campo di flusso d aria che li attraversa dipende dalla collocazione e dall altezza relativa, reciproche, degli edifici stesse, dalla densità con cui essi sono collocati sul territorio. La localizzazione ottimale di un edificio in un sito urbano è quella che lo espone ai venti dominanti estivi proteggendolo da quelli invernali. Tale orientamento è possibile perché queste due direzioni di vento generalmente non coincidono. Gli edifici disposti perpendicolarmente alla direzione del vento ricevono sul lato esposto il pieno impatto del vento. Se invece essi sono disposti a 45, la velocità del vento si riduce del 50%. Le file di edifici posti tra di loro a una distanza pari a sette volte le rispettive altezze assicurano un soddisfacente effetto di ventilazione per ciascun edificio. Una disposizione ad unità alternate sfrutta l andamento rimbalzante del vento. 47

23 Sezione 7 Sistemi di controllo della radiazione solare 1. Calcolo semplificato di una schermatura orizzontale Per Climi moderati (da 900 fino a 2100 gradi giorno) la linea d ombra sul davanzale della finestra si individua utilizzando l angolo solare del solstizio d estate, 21 giugno, nel nostro caso per una latitudine di 41 circa. In base alla definizione dettata dal D.L. 311/2006 è un sistema che applicato all esterno di una superficie vetrata trasparente permette una modulazione variabile e controllata dei parametrici energetici e ottico luminosi in risposta alle sollecitazioni solari. L'effetto sul carico termico e sul comfort (riduzione della temperatura esterna ed interna delle superfici vetrate) è rilevante, senza penalizzare il contributo delle vetrate alla componente naturale dell'illuminazione. I dispositivi più semplici sono gli aggetti ed i frangisole, ma sistemi di pannelli scorrevoli o avvolgibili risultano interessanti anche dal punto di vista progettuale e compositivo. In virtù del percorso del sole nelle diverse stagioni e nell arco della giornata è preferibile seguire alcune regole basilari per il corretto orientamento ed inclinazione delle schermature solari. In dettaglio, gli aggetti orizzontali sono fortemente raccomandati sulle facciate con orientamento sud, sud-est, e sud-ovest, dove le superfici vetrate devono essere mantenute completamente in ombra durante le ore centrali della giornata nel periodo estivo quando il sole è più alto sull orizzonte. Schermature verticali sono invece opportune per fronti orientamenti prevalenti ad est ed ovest, sui quali la radiazione solare arriva da altezze minori. Il posizionamento all esterno del vetro realizza miglior controllo del riscaldamento diurno evitando l irraggiamento diretto, una disposizione all interno degli ambienti permette di ridurre la dispersione termica notturna. L'entità della schermatura è determinata dalle stagioni solari, piuttosto che da quelle climatiche pertanto qualora si utilizzino schermi fissi è necessario verificare che questi non producano effetti schermanti anche in periodi in cui è richiesto un riscaldamento passivo. Gli schermi fissi tagliano sempre una parte della radiazione diffusa e quindi riducono l'illuminazione naturale. (Tratto da A. Catani, L involucro edilizio: verifiche delle strategie progettuali, SCHEDA 3, Mondadori Education S.p.A. - MIlano) L efficacia delle schermature solari ipotizzate, cioè le dimensioni di un balcone, di uno sporto, di un loggiato, può essere valutata tramite le maschere di ombreggiamento. Le maschere di ombreggiamento si costruiscono con l ausilio di un goniometro dove le linee curve, congiungenti gli estremi dell asse orizzontale (evidenziate in rosso), delimitano le ombre portate da ostacoli orizzontali, le linee radiali le ombre portate da ostacoli verticali. 48

24 In sezione si congiunga il punto esterno della soglia (o davanzale), filo muro, con il punto più esterno dell aggetto orizzontale e si misuri l angolo che questa direttrice forma con la direttrice orizzontale uscente dalla stessa origine (angolo α = ). Riportando sul disegno la massima altezza solare, corrispondente alle ore 12 del solstizio estivo, della latitudine interessata già si può notare se l aggetto ipotizzato riesce ad impedire del tutto alla radiazione solare di lambire la superficie vetrata. Nel prospetto si tracci una linea uscente dall interasse della base della soglia o davanzale, che vada a congiungersi col punto più esterno dell aggetto orizzontale (angolo β = ). Sul goniometro di ombreggiamento si vada ad individuare, nei semicerchi superiori, il semicerchio corrispondente all angolo beta di e il suo proseguimento fino ad incontrare la linea curva, congiungente gli estremi dell asse orizzontale, corrispondente all angolo alfa di e si evidenzi la zona d ombra e di soleggiamento. Si prenda per esempio il caso di una superficie trasparente (vetrata), esposta a sud e situata al piano terra, ed un ipotesi di schermatura superiore orizzontale, che potrebbe essere un balcone al piano primo, una pensilina o uno sporto di copertura, posta ad un altezza di m 2,70 dal livello della soglia, in aggetto di cm 100 e lunga m 3,00. Si rappresenti poi il dettaglio compositivo, in scala opportuna, in prospetto e sezione. 49