I Dispositivi passivi

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1 I Dispositivi passivi

2 Facciamo un passo indietro Spettro di emissione Consideriamo una lastra di materiale semitrasparente sulla quale facciamo incidere una luce bianca, avvero con un'energia distribuita equamente su tutte le frequenze (non solo nel campo del visibile), avremo una intensità incidente, una riflessa, nonché una intensità assorbita e una trasmessa. Andando a studiare lo spettro dell energia di questa ultima componente (quella trasmessa) notiamo la presenza di bande di assorbimento, alle stesse frequenza che caratterizzavano lo spettro di emissione del materiale attraversato.

3 Effetto serra Consideriamo una superficie opaca al di sopra della quale è posta una copertura di vetro Parte della radiazione solare (G) incidente sul vetro viene riflessa, (rg) parte trasmessa (tg). La parte trasmessa viene in gran parte assorbita dalla superficie opaca causando un riscaldamento della superficie stessa. La parte di energia trasmessa dal vetro e non assorbita dalla superficie opaca viene da questa riflessa ed avendo le stesse caratteristiche della radiazione incidente (lunghezza d'onda) attraversa il vetro (tag).

4 Effetto serra Consideriamo una superficie opaca al di sopra della quale è posta una copertura di vetro Per effetto del riscaldamento subito la superficie opaca comincia ad emettere radiazioni per effetto della sua temperatura. Generalmente in questi casi si raggiungono temperature superficiali tali che, per la legge di Wien, le radiazioni emesse (E) hanno una lunghezza d'onda massima caratteristica appartenente all'intervallo dell'alto infrarosso, dove il vetro presenta una trasmissività trascurabile.

5 Effetto serra Consideriamo una superficie opaca al di sopra della quale è posta una copertura di vetro Pertanto per questa la radiazione (E) il vetro si comporta come una superficie opaca altamente riflettente per cui l'energia che incide su di esso viene riflessa verso la superficie opaca e in gran parte da questa assorbita. In definitiva possiamo dire che l'energia emessa dalla superficie opaca per effetto della sua temperatura viene in gran parte riassorbita dalla superficie stessa provocando un ulteriore aumento di temperatura.

6 COME CATTURARE LA RADIAZIONE SOLARE Come possiamo catturare la massima quantità possibile di radiazione solare? Dobbiamo ricordare anzitutto: La Terra compie ogni anno una traiettoria ellittica intorno al Sole, ruotando al tempo stesso su se stessa. Se il suo asse fosse esattamente verticale, non ci sarebbero grandi variazioni climatiche nelle varie stagioni. Per effetto dell inclinazione dell asse terrestre, invece, il Sole in estate nasce più presto e tramonta più tardi, ed è più alto sull orizzonte; viceversa succede in inverno. L intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall angolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è l angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare

7 Sistemi solari passivi Ai fini del risparmio energetico, un edificio bioclimatico può impiegare sistemi solari passivi per il riscaldamento degli ambienti nel periodo invernale ed eventualmente per il raffrescamento in quello estivo. Essi impiegano l'irraggiamento solare incidente sulle superfici dell'involucro edilizio e meccanismi naturali cioè, senza l'ausilio d'energia prodotta da impianti termici o importata dalla rete per il trasferimento, del calore assorbito, all'interno dell'edificio. Sistemi di riscaldamento naturale possono essere sia gli stessi elementi tecnici di chiusura di un edificio trasparenti (finestre) od opachi (pareti massive non isolate) sia elementi speciali, progettati per massimizzare l'apporto termico solare. I sistemi solari passivi sono composti daiseguentiprincipalisubsistemi: subsistema di captazione preposto alla captazione dell energia solare e al trasferimento della stessa all'ambiente (scambio per irraggiamento) e/o all'aria (scambio per convezione); subsistema di distribuzione con funzione di distribuire il calore prodotto agli ambienti da riscaldare (rispetto ai sistemi impiantistici, tale subsistema è estremamente semplice, potendosi identificare con delle bocchette di ventilazione o, nei casi più complessi, in condotti nei controsoffitti); subsistema di accumulo che ha la funzione di immagazzinare energia termica, nei periodi di non utilizzo della stessa, o per la quantità di energia incidente non utilizzata, al fine di renderla utile successivamente.

8 Sistemi solari passivi I sistemi solari passivi si differenziano in relazione ai seguenti fattori: la collocazione del subsistema di captazione, che può essere su parete, in copertura, o al di sotto del livello di utilizzo; il tipo di trasporto dell energia dal sistema di captazione/distribuzione all ambiente, che può essere Suddiviso nelle seguenti modalità: 1. diretto, se il trasporto avviene senza interposizione di elementi tecnici opachi (lo scambio termico prevalente è per irraggiamento); 2. indiretto, se il trasporto avviene con interposizione di un elemento tecnico opaco (con o senza accumulo), rappresentato dalla parete stessa che supporta il subsistema di captazione, con scambio convettivo attraverso bocchette, collocate nella parte inferiore e superiore della parete stessa (muro di Trombe-Michel e piastra convettiva), o condotte in controsoffitto (parete camino-solare); 3. isolato, se non vi è comunicazione diretta né visiva, né d aria tra subsistema di captazione/distribuzione e ambiente; lo scambio avviene, prevalentemente, per reirraggiamento, da una massa che accumula e che entra in contatto con l aria, riscaldata dal subsistema di captazione; la presenza di una funzione spaziale, che integra quella di controllo termico (come nel caso delle serre e degli atrii).

9 Lo schema generale di classificazione dei sistemi solari passivi Nei sistemi solari passivi ad incremento diretto e indiretto, il subsistema di captazione e quello distributivo sono integrati nello stesso componente d involucro (chiusura verticale o orizzontale superiore): nei sistemi del tipo diretto non si ha movimentazione d aria dall unità di captazione all ambiente, e lo scambio è prevalentemente per irraggiamento diretto e reirraggiamento nell infrarosso dalle pareti interne; nei sistemi del tipo indiretto quali il muro di Trombe-Michel, la serra ad accumulo, e la piastra convettiva la movimentazione dell aria avviene attraverso bocchette collocate, in alto ed in basso, nella parete stessa che funge da captatore. Sistema a guadagno passivo solare diretto E costituito da ampie vetrate esposte a Sud e una forte coibentazione delle pareti interne. Si tratta di una tecnologia costruttiva comune. Il sistema deve prevedere: un elevato fattore solare della vetrata un rapporto Sup. vetro / Sup. pavimento = 0,29 l isolamento del serramento nelle ore notturne l impiego di materiali con buona capacità termica in ambiente

10 Sistema a guadagno passivo solare diretto Sistema a guadagno passivo solare diretto E costituito da ampie vetrate esposte a Sud e una forte coibentazione delle pareti interne. Si tratta di una tecnologia costruttiva comune. Il sistema deve prevedere: un elevato fattore solare della vetrata un rapporto Sup. vetro / Sup. pavimento = 0,29 l isolamento del serramento nelle ore notturne l impiego di materiali con buona capacità termica in ambiente

11 Solare Passivo Guadagno Indiretto Muro di Trombe E costituito da un muro dotato di forte massa (laterizi, pietra, cls) esposto a Sud e da una vetrata posta a un distanza di 8 10 cm. L energia termica che incide sulla vetrata viene catturata nella camera d aria e provoca un innalzamento della temperatura del muro. Il calore viene ceduto in ambiente o per conduzione attraverso la parete o per convezione se vengono effettuate delle aperture nella parte inferiore e superiore della stessa. Il muro di accumulo deve avere un elevato fattore di assorbimento (evitare tinte chiare verificare fattore di assorbimento del materiale).

12 Solare Passivo Guadagno Indiretto Muro di Trombe

13 Solare Passivo Guadagno Indiretto Muro d Acqua In questo sistema l accumulatore è costituito da una massa d acqua, elemento caratterizzato da una capacità termica molto elevata, contenuta in uno o più contenitori verticali. L entrata a regime del sistema è rapida. Le controindicazioni sono i rischi di perdite e i costi aggiuntivi: il muro d acqua non può essere un elemento strutturale. Solare Passivo Guadagno indiretto Roof Pond Il sistema è costituito da una massa termica (acqua) sulla copertura, sorretta da un solaio ad elevata conducibilità termica. In inverno durante il giorno 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.

14 Solare Passivo Guadagno indiretto Roof Pond Il sistema è costituito da una massa termica (acqua) sulla copertura, sorretta da un solaio ad elevata conducibilità termica. In inverno durante il giorno 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. D estate 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

15 Solare Passivo Guadagno Isolato Serre Una serra è un volume edilizio chiuso da pareti trasparenti contiguo agli spazi abitati. Il sistema può avere numerose configurazioni. Il sistema può essere concepito come spazio abitabile, solo come collettore solare, come spazio cuscinetto. Per evitare il surriscaldamento della serra nel periodo estivo è necessario prevedere delle schermature o delle aperture. In questo caso la serra può fungere anche come sistema di raffrescamento passivo sfruttando l effetto camino. Le serre sono applicabili ed adattabili agli edifici preesistenti

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17 Solare Passivo Serre Dinamica di funzionamento della serra: Serra a guadagno diretto: la superficie di separazione tra serra ed interno è regolabile e può essere rimossa

18 Solare Passivo - Serre Dinamica di funzionamento della serra: Serra a scambio convettivo: lo scambio di calore avviene per convezione

19 Solare Passivo Serre Dinamica di funzionamento della serra: Serra a scambio radiante: la superficie di divisione è costituita da una parete ad accumulo non isolata e lo scambio di calore avviene radiativamente con l ambiente retrostante

20 Serre-la massa termica La climatizzazione di un ambiente si misura con delle condizioni ambientali esterne non stazionarie. Una delle dinamiche fondamentali con la quale deve misurarsi un sistema solare, oltre all andamento climatico stagionale con ciclo annuale, è il ciclo giornaliero. La radiazione solare presenta un andamento simmetrico rispetto alle 12 ore solari. L andamento termico dell aria esterna invece presenta generalmente una curvasimile a quella della radiazione ma sfasata di qualche ora.

21 Serre-la massa termica Lo sfasamento è dovuto all inerzia termica della superficie terrestre e dell atmosfera. Anche all interno di uno spazio con involucro completamente trasparente l andamento della temperatura dell aria segue un andamento simile a quello dell aria esterna raggiungendo però temperature molto più elevate durante le ore di sole e conservando più a lungo una temperatura elevata anche dopo il termine del periodo di irraggiamento. Questo grazie al fatto che non vi è scambio d aria tra l interni e l esterno.

22 Serre-la massa termica Per ottenere una migliore distribuzione del calore della serra nell arco delle 24 ore è opportuno aumentarne l inerzia, ovvero utilizzare delle masse di accumulo in grado di assorbire l energia termica quando questa è più intensa per cederla poi gradualmente per irraggiamento o convezione. In questo modo è possibile ottenere un attenuazione e uno sfasamento dell onda termica della serra (vdi figura).

23 Serre-la massa termica Una buona massa di accumulo termico dovrebbe essere quindi in grado di assorbire la maggior quantità possibile di energia durante le ore maggiormente soleggiate e di restituirle gradualmente con circa 6/10 ore di ritardo. Affinché siano efficaci le masse termiche è necessario controllarne alcune variabili: 1. La posizione 2. La costituzione materica 3. Lo spessore 4. La quantità

24 Serre-la massa termica Posizione Per quanto riguarda la posizione le masse dovrebbero essere collocate all interno della serra in posizione tale da essere direttamente esposte alla radiazione solare diretta. Per quanto contribuiscano anch esse a elevare l inerzia termica, l efficacia delle masse termiche non direttamente esposte, dette secondarie, in regime invernale è notevolmente ridotta. Viceversa possono giocare un utile ruolo in regime estivo. 1. La posizione 2. La costituzione materica 3. Lo spessore 4. La quantità

25 Serre-la massa termica Posizione Facendo una distinzione teorica in base alla posizione delle masse d accumulo, si possono ditinguere fondamentalmente 3 tipi di serre: Serre con accumulo a parete: La radiazione solare invernale con angoli zenitali tra i 20 e i 40 sull orizzonte fanno si che la superficie maggiormente colpita dalla radiazione sia teoricamente la parete di fondo della serra.

26 Serre-la massa termica Posizione Serre con accumulo a pavimento: Nel caso di serre a guadagno diretto, o serre particolarmente incassate, si ricorre all accumulo a pavimento. In molti casi l accumulo a pavimento è ausiliario all accumulo a parete.

27 Serre-la massa termica Posizione Serre con accumulo centrale: In alcuni casi si può ricorrere a masse termiche poste al centro della serra. E il caso di serre particolarmente profonde, con dislivelli di quota o di serre con accumulo ad acqua. E da sottolineare, per qualunque delle tipologie elencate, l importanza dell isolamento delle masse termiche che devono essere sempre opportunamente coibentate sul lato freddo!!

28 Inerzia termica

29 Funzionamento invernale diurno: Serra- regimi di funzionamento L assetto diurno durante i mesi invernali è caratterizzato dal tentativo di massimizzare la captazione. Anche se la serra produce i massimi benefici in presenza di radiazione diretta, se le temperature esterne non sono particolarmente basse e l involucro trasparente è sufficientemente isolante, la serra potrà avere un bilancio energetico positivo anche durante una giornata coperta. L assetto invernale captante è dunque caratterizzato dalla totale chiusura della parte dell involucro trasparente Serre a guadagno diretto Potranno essere connesse allo spazio adiacente solo quando la temperatura della serra sarà uguale o superiore a C e saremo in presenza di un bilancio termico positivo. Nel caso la temperatura non raggiunga i valori minimi, la serra, costituendo uno spazio tampone, avrà comunque la funzione di ridurre le dispersioni verso l esterno.

30 Serra- regimi di funzionamento Funzionamento invernale diurno: Serre a scambio convettivo Analogamente, attiveranno lo scambio d aria con gli ambienti adiacenti quando la temperatura dell aria sarà superiore a quella degli ambienti stessi.

31 Funzionamento invernale diurno: Serre a scambio radiativo Serra- regimi di funzionamento Presentano una possibilità di regolazione meno precisa. Il muro di divisione serra-locale adiacente è costituito da un muro che scambia con gli ambienti circostanti principalmente in maniera radiativa. Durante le ore diurne si cercherà semplicemente la massima esposizione della muratura alla radiazione.

32 Funzionamento invernale notturno Serra- regimi di funzionamento L assetto notturno durante i mesi invernali è caratterizzato fondamentalmente dal tentativo di minimizzare le dispersioni della serra verso l esterno. Serre guadagno diretto Dovranno possedere una buona capacità isolante che dovrà essere concentrata esclusivamente in corrispondenza dell involucro. Poiché la serra stessa fa parte dei locali abitati, le tende o i pannelli isolanti dovranno essere applicati preferibilmente sul lato interno dell involucro trasparente.

33 Serra- regimi di funzionamento Funzionamento invernale notturno Serre a scambio convettivo Possiedono una superficie di separazione tra la serra ed i locali abitati. Quando la temperatura dell aria all interno della serra sarà scesa al di sotto dei locali abitati, lo scambio convettivo dovrà essere interrotto. Durante la maggior parte delle ore notturne sarà, dunque, opportuno ridurre al minimo le dispersioni di calore dal locale abitato verso la serra, pertanto tutti i dispositivi di scambio convettivo saranno non operanti. Per la stessa ragione l elemento di separazione tra serra ed abitazione, sia nelle sue parti opache che trasparenti, dovrà possedere una buona capacità di isolamento termico utilizzando per esempio i doppi vetri per i serramenti e pareti con isolamento interno od intermedio per le murature. La velocità di raffreddamento dell aria della serra, comunque, dipenderà dalle proprietà isolanti del suo involucro, pertanto, anche se in misura minore rispetto alle serre a guadagno diretto, anche in questo caso potranno essere utili dispositivi d isolamento mobili applicati all involucro.

34 Funzionamento invernale notturno Serre a scambio radiante Serra- regimi di funzionamento A fronte di una migliore prestazione in termini do confort nei locali abitati, presentano maggiori problemi di controllo del flusso. L elemento di accumulo, costituito dalla parete di divisione tra serra e locale abitato, in mancanza di radiazione invertirà il flusso energetico emettendo energia verso la serra raffreddandosi rapidamente. Di conseguenza è importante disporre un elemento mobile di isolamento collocato sul lato esterno (verso la serra) della parete divisoria, che deve essere attivato non appena viene a mancare la radiazione solare.

35 Funzionamento estivo diurno Serra- regimi di funzionamento Per poter funzionare correttamente durante i mesi estivi la serra dovrà esser stata attentamente progettata e richiederà alcune regolazioni. Prima di tutto si cercherà di impedire alla radiazione solare di attraversare le superfici vetrate e di irraggiare le masse termiche generando l effetto serra. Questo potrà essere realizzato per esempio attraverso dei sistemi di ombreggiamento esterni. Per la massima efficacia dell ombreggiamento però questo dovrebbe essere in grado di schermare anche le superfici trasparenti esposte alla sola radiazione diffusa; i dati climatici italiani mostrano che durante i mesi estivi la radiazione diffusa costituisce il 35% di quella globale e che la frazione di questa che colpisce le superfici verticali raggiunge livelli molto elevati in valore assoluto. Inoltre per evitare il generarsi dell effetto serra sarà necessario garantire la ventilazione della serra, in modo da garantire una temperatura della serra mai superiore a quella esterna. E necessario ricordare che la serra può funzionare come camino solare. Dotando la serra di aperture opportunamente calibrate nella parte inferiore e superiore si può generare durante le giornate calde un moto d aria ascendente a causa del gradiente di pressione esistente.

36 Funzionamento estivo notturno Serra- regimi di funzionamento Durante le ore notturne bisognerà garantire la massima dispersione energetica sia sotto forma radiante sia sotto forma di convezione delle masse termiche della serra verso l esterno. Inoltre bisognerà cercare la massima apertura dell involucro della serra in modo da ottenere il massimo flusso d aria attraverso la casa e attraverso la serra. A tale scopo la posizione delle aperture nell involucro dell edificio, oltre che della serra, potranno essere studiate per sfruttare al meglio i moti d aria caratteristici del sito. In special modo potranno essere utili le brezze termiche presenti in quasi tutti i siti caratterizzati dalla presenza di acqua o rilievi topografici

37 Dimensioni della Serra E impossibile fornire indicazioni univoche circa le giuste dimensioni di una serra. Oltre all incontrollabile variabilità climatica ( si possiedono generalmente dati medi che rappresentano una situazione tipica teorica), vi sono le variabili del microclima e dell orografia del sito, quelle relativo all involucro stesso: orientamento, forma, caratteristiche dell involucro, quantità e posizione della massa termica, caratteristiche dei sistemi di ombreggiamento, modalità di trasferimento del calore. Ciò che può essere utile, in questa sede, è suggerire un criterio operativo e fornire alcune indicazioni di massima di supporto per un dimensionamento corretto in relazione a ogni singolo caso. La tabella che segue fornisce un indicazione di massima sulla quantità di superficie vetrata verticale (con vetrocamera) rivolta asud in rapporto alla superficie in pianta del locale da riscaldare in relazione a differenti situazioni climatiche definite dalla temperatura media esterna invernale.

38 Dimensioni della Serra Temp_media scaldare mq di vetratura della serra in rapporto ai mq di pavimento del locale da Edward Marzia Sistemo solari passivi 35 latitudine 45 latitudine -6,7 0,90 1,5-3,9 0,78 1,3-1,1 0,65 1,17 1,7 0,53 0,90 4,4 0,42 0,69 7,2 0,33 0,63

39 Dimensioni della Serra Temp_media mq di vetratura della serra in rapporto ai mq di pavimento del locale da scaldare 35 latitudine 45 latitudine -6,7 0,90 1,5-3,9 0,78 1,3-1,1 0,65 1,17 1,7 0,53 0,90 4,4 0,42 0,69 7,2 0,33 0,63 Ad esempio, una serra alla latitudine 45 con temperatura media 2 C addossata ad un locale delle dimensioni di 25mq necessiterebbe di circa 20mq di superficie vetrata verticale. Ipotizzando un altezza della serra, e quindi della sup. verticale vetrata, di 3 ml avremmo una serra di 6,8 ml di larghezza. Una serra analoga in centro Italia (lat. 41 con temp. Media 8 C) potrebbe avere circa 11mq di superficie verticale vetrata per uno sviluppi in larghezza di 3,7 ml. Nel caso di serre addossate la profondità della stessa, quando contenuta entro certi limiti ( da 1 a 4 metri circa) non è un parametro estremamente importante, anche se è importante ricordare che minore sarà il volume maggiori saranno le temperature di picco che si potranno ottenere e minori i tempi di riscaldamento dell aria. Maggiore sarà la profondità, maggiori le sup. disperdenti. Sono consigliabili profondità contenute!

40 Dimensioni della Serra Nel caso di serre con coperture trasparenti e pareti laterali opache la profondità della serra assume invece un importanza maggiore. Le pareti laterali costituiscono un ostruzione alla radiazionesolare proveniente da est e da ovest.per serre incassate si consiglia, per un clima italiano, un rapporto profondità /larghezza non inferiore ad 1/4 e non maggiore di 1/2. Con tali parametri la serra ipotizzata alla latitudine 45 potremmo definire una profondità compresa tra 1, e 3,4m.

41 Dimensioni della Serra La soluzione consigliabile è sempre quella con un rapporto profondità/ altezza minore avendo cura però di dotare la serra di sistemi di ombreggiamento mobili. Se la serra fosse ad esempio incorporata la sua profondità ideale sarebbe 1,7m, valutata tenento conto della minima profondità consigliata per i fianche opachi.

42 Esempio: guadagni solari di una serra Ottenuto un dimensionamento e una configurazione preliminare della serra è possibile procedere a delle simulazioni del comportamento energetico con l ausilio di metodi di valutazione manuali o software di calcolo.

43 Esempio: guadagni solari di una serra