OTTIMIZZAZIONE DELLE SUPERFICI FINESTRATE PER LA RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI

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1 F. Piccininni 321 OTTIMIZZAZIONE DELLE SUPERFICI FINESTRATE PER LA RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI Francesco Piccininni Dipartimento di Fisica Tecnica del Politecnico di Bari SOMMARIO La diffusione degli impianti di condizionamento estivo sta aumentando con ritmi tanto elevati che si prospetta a breve periodo un consumo energetico ad esso legato dello stesso ordine di grandezza di quello impiegato per il riscaldamento invernale. Per ridurre i consumi energetici del riscaldamento esistono norme che privilegiano i guadagni termici dovuti all irraggiamento solare perché contribuiscono alla riduzione dei consumi. In questo lavoro si analizza l influenza delle dimensioni delle finestre degli edifici sui carichi energetici di riscaldamento e di raffrescamento e il loro effetto in funzione dell orientamento delle finestre e della latitudine. 1. INTRODUZIONE I moderni edifici per abitazione ed ancor più quelli destinati ad uffici lasciano grande spazio alle superfici finestrate. Queste soluzioni vengono sollecitate sia per motivi estetici sia per incrementare la quantità di spazio interno illuminato con la luce solare. La sostituzione di una porzione di parete con una finestra comporta una riduzione di circa sette volte della resistenza termica rendendo sicuramente più oneroso il carico termico per il raffrescamento estivo e rendendo il carico termico di riscaldamento dipendente dall orientamento delle superficie finestrate e dalle caratteristiche delle finestre per quanto riguarda la possibilità di sfruttare l'rraggiamento solare. L incremento di superficie finestrate, infatti, può comportare sia una riduzione del carico termico rispetto alla soluzione con la parete piena sia una sua riduzione dovuta all incremento dei guadagni solari. In quest ultimo caso si deve ricordare che tali guadagni sono limitati al periodo diurno, quando è consentito il funzionamento dell impianto di riscaldamento. Durante il periodo notturno si ha un incremento di flusso termico in uscita che può non essere rilevato come aumento dei consumi se l impianto di riscaldamento è spento, mentre ha sicuramente effetto sul microclima e potrebbe sollecitare l uso di sistemi di riscaldamento elettrici. Inoltre, gli scambi termici che avvengono attraverso le finestre hanno un immediato effetto sul microclima interno contrariamente alle pareti opache che, a causa della ben più elevata massa superficiale, attenuano e sfasano il picco termico. L attenuazione dei picchi, in particolare, comporta la possibilità di utilizzare impianti di taglia minore. 2. LA LOCALITÀ E L ORIENTAMENTO La radiazione solare che colpisce le superfici verticali ha effetto sui carichi termici, invernali ed estivi, degli edifici maggiore della radiazione orizzontale. Questi effetti vengono ancor più influenzati dall orientamento della parete stessa. Il massimo irraggiamento incide sulle pareti esposte ad est nella prima mezza giornata, mentre nel pomeriggio il massimo irraggiamento incide sulla parete esposta ad ovest. Le pareti degli edifici sono state divise in due tipi: superfici opache realizzate in muratura e superfici trasparenti. Per superficie trasparente si intende tutto il complesso che realizza una finestra o una porta finestra: la parte trasparente che può essere realizzata in vetro o in altro materiale trasparente e la parte strutturale delle finestra che pur costituendo una superficie opaca contribuisce a determinare l entità del flusso termico entrante in funzione delle sue caratteristiche termo-fisiche.

2 Congresso Nazionale ATI Fig. 1 Andamento dei coefficienti di una superficie vetrata semplice in funzione dell angolo di incidenza L energia solare che incide su una superficie vetrata penetra all interno dell edificio per la maggior parte, mentre una quota viene rinviata all esterno, riflessa, e la rimanente parte è assorbita sia dal vetro che dall intelaiatura. Nella maggior parte delle finestre la componente assorbita rappresenta una piccola parte dell energia incidente, mentre un discorso a parte merita la componente riflessa. [1] La riflessione su una superficie vetrata, infatti, varia in maniera sensibile con il variare dell angolo di incidenza, angolo compreso tra il raggio solare incidente e la perpendicolare alla superficie vetrata. Tale parametro può anche essere utilizzato per far variare le caratteristiche della finestra ed esaltare gli effetti positivi, attenuando quelli negativi. In Figura 1 sono riportati gli andamenti delle tre componenti dell energia incidente riferiti ad una singola lastra di vetro posta verticalmente. Sulle facciate ad est e su quelle ad ovest nelle ore di massima insolazione si ha un angolo d'incidenza minore di 40 ; nel caso di finestra con un singolo vetro all interno dell edificio entra circa l 87% dell energia incidente. Questo carico non solo fa aumentare l energia necessaria per smaltirlo con l impianto di aria condizionata ma può creare un picco di calore entrante di elevato valore. Per mantenere le condizioni di benessere termoigrometrico anche per queste ore è necessario utilizzare macchine frigorifere di condizionamento di potenza elevata che verrebbero utilizzate in condizioni parzializzate per il resto del tempo riducendo fortemente l efficienza dell impianto e comportando un incremento di consumo di energia elettrica superiore alla al semplice aumento di carico termico da smaltire. Ad influenzare questo effetto è l entità delle masse che costituiscono l interno dell edificio quali i solai, i tramezzi e l arredamento stesso dei locali. [2] Il costo effettivo per estrarre dall edificio il calore entrato attraverso le superfici vetrate ha un valore sufficientemente elevato da rendere economicamente accettabile costosi sistemi di schermatura posizionati in maniera tale da intercettare l energia raggiante prima che essa raggiunga la superficie esterna delle finestre. Questa soluzione, però, contrasta con il motivo che sta alla base della progettazione di ampie superfici finestrate. Esse vengono realizzate per motivi estetici, per incrementare il guadagno di energia solare per ridurre il carico invernale di riscaldamento e per incrementare l illuminazione naturale all interno. La schermatura con tende esterna è in contrasto con tali scelte: basterebbe tener conto di queste problematiche in sede di progetto e di ridurre la superbie vetrata per rendere inutile questo intervento che, a parte l opportunità, è estremamente costoso. Se infatti non si vogliono praticamente azzerare i vantaggi ottenibili nel periodo invernale, è necessario dotare la schermatura di un sistema di orientamento delle superfici per permettere

3 F. Piccininni 323 all energia solare di entrare nell edificio nel periodo in cui è richiesto calore per il riscaldamento. A questo scopo sono state proposte soluzioni particolari quali la possibilità di invertire la superficie vetrata in maniera da ottenere bassi guadagni solari nel periodo estivo ed alti guadagni in inverno [3] 5000 U=1,5 U=2,5 U=3,5 U=4,5 U=5,5 W/m2K [kwh] Superficie vetrata [%] Fig. 2 Andamento del consumo differenziale globale annuale delle superfici finestrate 3. LE PRESTAZIONI DELLE FINESTRE Il complesso di superficie trasparente e struttura opaca che costituisce la finestra realizza le caratteristiche termofoisiche della superficie vetrata che influenzano i consumi energetici legati alla realizzazioni si superfici vetrate. Per questo motivo vengono studiati con attenzione i materiali utilizzati e la forma assunta. Il coefficiente di riflessione della superficie vetrata può essere aumentato con l aggiunta di una pellicola metallica molto sottile con un elevato indice di rifrazione. E possibile, inoltre, utilizzare superfici a doppio vetro con trattamenti realizzati sulle superfici interne dei due vetri che realizzano capacità riflettenti che raggiunge valori molto alti per tutti gli angoli di incidenza dell energia solare. L assorbimento di calore da parte del vetro può essere usato per ridurre i guadagni solari. Esistono vetri che riescono ad assorbire fino al 70% dell energia incidente riducendo fortemente la percentuale dell energia solare che riesce a penetrare nell edificio, ma non nella stessa proporzione. L energia termica assorbita dal vetro, infatti, viene successivamente trasmessa sia verso l esterno che verso l interno per convezione. Un aliquota dell energia assorbita viene comunque introdotta nell edificio. C è da sottolineare che questo trasferimento avviene subito dopo l assorbimento da parte del vetro data la sua, relativamente, basso valor di massa. Se esiste un impianto di raffrescamento che impiega impianti a fan-coil sistemati sotto la finestra, questi si trovano a smaltire il carico termico quando questo è al massimo valore. Un vetro semplice, non assorbente, trasmettendo tutto il calore all ambiente interno, pareti, solaio e arredamento, a causa delle capacità di accumulo di detti manufatti, verrebbe reimmesso nell ambiente con un ritardo tale da ridurre il picco termico con benefici effetti, come già detto, sui consumi. Diversamente un doppio vetro potrebbe agevolare il la dispersione di un vetro assorbente verso l ambiente esterno piuttosto che verso l ambiente interno ottenendo gli effetti positivi. Attualmente i sistemi di classificazione delle superfici vetrate sono stati sviluppati principalmente negli Stati Uniti ed in Europa. Essi prevedono metodologie standardizzate per misurare la trasmittanza delle finestre, il guadagno solare, la capacità di trasmettere la luce visibile e l'entità dello scambio termico dovuto alle infiltrazioni di aria.

4 Congresso Nazionale ATI Negli Stati Uniti è lo stesso governo federale a fornire programmi di simulazione delle prestazioni e degli edifici e delle finestre in particolare per agevolare uno studio particolare degli effetti dell'introduzione delle superfici vetrate SHGC=0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 [kwh] Superficie vetrata [%] Fig. 3 Consumo differenziale globale annuale delle superfici finestrate a sud a Milano 4. METODO DI ANALISI In questo lavoro sono state effettuate simulazioni numeriche per individuare l'effetto delle superfici finestrate sui consumi energetici su una costruzione reale ad un solo piano avente una superficie di circa 200 m 2. I calcoli sono stati effettuati sia per una localizzazione nel meridione d'italia (Taranto) sia al nord, collocandolo a Milano. 4.1 Simulazione La simulazione è stata realizzata utilizzando il noto programma di simulazione sviluppato negli Stati Uniti chiamato TRNSYS [4]. In essa sono stati impostate le caratteristiche di un edificio presente a Taranto presso la sede della facoltà di ingegneria. La superficie vetrata, tutta realizzata come finestre, è stata divisa equamente tra le quattro superfici. La sua estensione è stata fissata come percentuale della superficie della pianta della costruzione. Tale parametro è stato fissato in questo modo perché l'effetto dei guadagni solari dipendono dalle forma e dalle caratteristiche termofisiche dell'ambiente "illuminato" dal sole. Sono stati quantificate le variazioni di consumi rispetto a pareti completamente opache. In base a questa convenzione quando il guadagno termico comporta una riduzione di consumi rispetto alla superficie opaca, tale risparmio viene indicato con il segno negativo. Questo può avvenire quando si considerano i consumi legati al riscaldamento che possono essere ridotti se i guadagni solari superano l'incremento delle perdite dovute alla ridotta resistenza termica. La realizzazione di superfici finestrate comporta sempre un aumento dei consumi energetici per il condizionamento estivo perché si riduce la resistenza termica della parete e l'irraggiamento solare richiede un ulteriore aumento di carico energetico. La quantificazione del carico di riscaldamento e di raffrescamento stata, quindi, espressa come differenza rispetto allo stesso edificio con l involucro esterno realizzato tutto in muratura senza alcuna superficie finestrata.

5 F. Piccininni 325 L energia che penetra all interno dell edifico per aver attraversato una superficie trasparente che collabora alla riduzione del carico termico di riscaldamento e per questo viene chiamato guadagno. Essa viene valutata con la relazione: dove: [ I cos + I + I ] SHGC G = θ G= guadagno solare, W; I = radiazione diretta, W; θ = angolo d incidenza, rd; I D = radiazione diffusa, W; I R = radiazione riflessa, W; SHGC = coeffciente di guadagni termico solare (Solar Heat Gain Coefficient) D R [kwh] SHGC=0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Superficie vetrata [%] Fig. 4 Consumo differenziale globale annuale delle superfici finestrate a sud a Taranto 5. RISULTATI Sono stati valutati i carichi termici dovuti alle superfici finestrate per ciascuno dei quattro orientamenti e per l edificio nel suo complesso. All inizio è stata prevista un eguale distribuzione della superficie delle finestre per ciascun orientamento facendo ridurre l area dal 12 al 4% della superficie del pavimento ripetendo tutto per cinque valori di SHGC. Dalla figura 2 si vede che la resistenza termica della superficie vetrata è il paramentro che maggiormente influenza i consumi. Solo per valori di trasmittanza inferiori a 2,5 W/m 2 K si ottengono consumi inferiori con le superfici vetrate che con la muratura. Quindi solo con alte resistenze termiche il guadagno solare riesce a compensare, e superare, le perdite indotte dalla installazione di superfici vetrate. Per i valori più bassi della trasmittanza si evidenzia anche il valore percentuale della superficie finestrata della parete rivolta a sud che minimizza sia i consumi di riscaldamento ad un livello tale che tale minimo permane anche nel bilancio totale, riscaldamento e raffrescamento, per l'intero anno. Dalle figure 3 e 4 si vede che per bassi valori di SHGC, sulla parete rivolta a sud, esiste una percentuale di superficie finestrata che ottimizza i consumi energetici su base annuale. Questa

6 Congresso Nazionale ATI caratteristica comincia ad attenuarsi per valori di SHGC intorno a 0,5 e scompare per valori superiori a 0,6. Dalla comparazione delle due figure si evidenzia anche la differenza tra le due latitudini. Nella figura 4 si vede che per elevati valori di SHGC i vantaggi tendono rapidamente ad essere annullati per l'incremento dei consumi legati al carico energetico estivo. 6. CONCLUSIONI La resistenza termica delle finestre è il parametro che pilota la variazione dei consumi energetici al variare della superficie delle finestre. Un basso valore di resistenza innalza il consumo energetico anche il presenza di alti valori di guadagno termico. Gli edifici situati in climi freddi cioè in quei climi dove è prevalente il carico di riscaldamento, devono utilizzare finestre aventi elevata capacità di immettere energia solare ovvero valori di SHGC maggiori dell'80% in maniera da compensare la riduzione di resistenza termica conseguente alla realizzazione delle finestre. Le finestre con valori di SHGC inferiori al 60% trovano applicazione nelle costruzioni realizzate nei climi caldi dove, nell'ambito dei consumi energetici annuali, prevale il carico di raffrescamento. Bibliografia 1. G. Grazzini, C. Balocco, Controllo della radiazione solare. Condizionamento dell'aria. N 7 luglio F.Piccininni, Influenza della massa delle pareti sui consumi energetici annuali di un edificio climatizzato, Atti del XIX Congresso Nazionale UIT, Modena giugno D. Feuermann, A. Novoplansky, Reversible low solar heat gain windows for energy savings, Solar Energy, Vol. 62, N 3, TRNSYS, a transient system simulation program, Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, 1990