Elementi di geometria solare Metodi applicativi per una progettazione bioclimatica

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1 progetto SO.PRA.N.E. PARAMETRI E STRUMENTI DI UNA PROGETTAZIONE SOSTENIBILE Palazzo delle Professioni mertedì 08 novembre 2011 sabato 12 novembre 2011 Elementi di geometria solare Metodi applicativi per una progettazione bioclimatica dott. consulente dell A.O.U. Meyer in materia di ambiente ed energia membro del Direttivo dell Istituto Nazionale Bioarchitettura / sez. Prato Argomenti Significato ed efficacia di un approccio bioclimatico alla progettazione Esempi di architettura bioclimatica Strategie naturali Elementi di geometria solare Applicazioni pratiche Esercitazione: progettazione di un aggetto valutazione dell ombreggiamento di un portico Metodi di approccio alla progettazione: il nuovo l esistente Conclusioni 1

2 Architettura bioclimatica La "bioclimatica" vuole mettere in relazione l'uomo, "bios", e il clima, essendo l'architettura un risultato delle interazioni fra entrambi. Obiettivo: ottimizzare le relazioni energetiche con l'ambiente circostante mediante il disegno architettonico Come: adattando l'edificio alle caratteristiche dell'ambiente circostante (vegetazione, rilievi, edifici esistenti, ecc.) per ottenere il maggior vantaggio dal punto di vista termico e luminoso, e sfruttare lo stesso "intorno" per migliorare le condizioni di comfort. Significato ed efficacia di un approccio bioclimatico alla progettazione Strumenti: utilizzazione di componenti e/o sistemi edilizi in grado di assolvere oltre alla loro funzione specifica anche funzioni energetiche, ossia captare, accumulare, conservare e restituire l energia termica e luminosa della radiazione solare (es. un loggiato) oppure sfruttare la ventilazione naturale degli ambienti. Efficacia: - riduzione del consumo complessivo degli edifici - aumento del benessere psicofisico dell abitare - riduzione delle emissioni di CO2 nell atmosfera 2

3 ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA ABITAZIONI DI MONTAGNA - Esposizione dei borghi montani è in prevalenza a sud sud-ovest, in modo da avere soleggiamento diretto fino a sera, e beneficiare così dell irraggiamento solare.la posizione di mezza costa è riparata dai venti freddi del Nord - Forma compatta - La stalla al piano terreno, l abitazione al piano primo e il fienile al piano sottotetto - Piccole aperture ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA CASE COLONICHE TOSCANA (Fiesole) - esposizione a sud - nord riparato dalla collina e dai sempreverdi - loggiato d ingresso come spazio inter-esterno (estate calda e secca) 3

4 ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA COSTIERA AMALFITANA - Case di pietra intonacate a calce (il bianco riflette i raggi solari diretti e diminuisce l acquisizione di calore) - tetti piani per la raccolta delle acque piovane - aperture ridotte al minimo ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA NORD AFRICA, ALGERIA - case sono in terra cruda - aperture minime verso l esterno - cortili interni - intonaco a calce 4

5 ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA 5

6 ESEMPI DI BIOARCHITETTURA ESEMPI DI BIOARCHITETTURA 6

7 ROMA LUNGHEZZINA 2 ESEMPI DI BIOARCHITETTURA STRATEGIE NATURALI - Orientamento e posizionamento dell edificio - Soleggiamento / Ombreggiamento - Sistemi solari passivi (serre, muri termici, muri di trombe) - Isolamento termico - Isolamento acustico - Ventilazione naturale - Raffrescamento evaporativo - Coperture Verdi - Giardini - Recupero delle acque 7

8 ORIENTAMENTO E FORMA L intensità della radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre varia in funzione dell angolo che i raggi solari formano con la superficie. La disponibilità di luce naturale sul sito presenta una forte influenza sul comportamento termico dell edificio. Al variare dei seguenti fattori: 1. caratteri fisiografici di un territorio (forma e posizione dei rilievi) 2. Inclinazione del terreno (rispetto all orizzontale 3. ostacoli sull orizzonte (naturali e no) 4. fattore di nuvolosità e di clima Si modificano notevolmente anche le condizioni di irraggiamento ORIENTAMENTO E FORMA L edificio dovrebbe essere posizionato in modo tale che: - I consumi di energia per l illuminazione artificiale e per il riscaldamento/raffrescamento meccanico siano minimizzati. - Ridurre e controllare la radiazione solare (soprattutto nel periodo estivo) - Migliorare la ventilazione naturale e il raffrescamento sulle superfici esterne dell edificio (raffrescamento evaporativo) 8

9 ORIENTAMENTO E FORMA La geometria della radiazione solare, l irradianza solare e la presenza e caratterizzazione delle ostruzioni, sono utili per l analisi della disponibilità di luce naturale. Per questo è necessario valutare l andamento della radiazione solare per diversi orientamenti di una superficie verticale, quella sul piano orizzontale e la caratterizzazione delle ostruzioni alla radiazione solare (esterne o interne alla zona oggetto di intervento). Il flusso termico trasmesso all interno di un edificio può essere modificato: 1.scegliendo opportunamente forma ed orientamento degli elementi e dei materiali di cui è costituito; 2.variando l incidenza e/o l assorbimento della radiazione solare; 3.creando effetti d ombra per ridurre l intensità dell irraggiamento. SOLEGGIAMENTO / OMBREGGIAMENTO Articolando la superficie della facciata si possono evitare gli effetti negativi dovuti al surriscaldamento, riducendo l apporto termico di riflessione e di calore assorbito dall involucro, regolando di conseguenza il microclima esterno ed interno. 9

10 SOLEGGIAMENTO / OMBREGGIAMENTO L aumento di temperatura dell aria, se può risultare gradevole in inverno e, senz altro sgradevole in estate (inoltre determina un incremento dei consumi elettrici per la climatizzazione degli ambienti); a tale scopo l effetto mitigante della vegetazione è senz altro un fattore apprezzabile e dal punto di vista della qualità ambientale che per il risparmio energetico. La vegetazione contribuisce con la produzione di vapore acqueo al mantenimento del grado di umidità dell ambiente. Influenza il ristagno e l assorbimento idrico, riducendo o favorendo l evaporazione al suolo. SOLEGGIAMENTO / OMBREGGIAMENTO Per ridurre il surriscaldamento estivo un buon metodo è quello di schermare opportunamente le aperture alla radiazione solare diretta. Questo non deve però impedire la penetrazione della radiazione nel periodo invernale. 10

11 SOLEGGIAMENTO / OMBREGGIAMENTO Valutazione dell efficacia dei dispositivi di controllo solare previsti in sede di progetto Attualmente sono disponibili strumenti software in grado di costruire automaticamente i diagrammi solari e di simulare il percorso solare rispetto ad un modello di progetto. Il moto del sole può essere simulato in ogni stagione e con intervalli di tempo personalizzabili Studio sviluppato col software Ecotec SOLEGGIAMENTO / OMBREGGIAMENTO Caratteristica delle superfici Per superfici assorbenti si intendono superfici continue realizzate in materiali pesanti e scuri (pietra, laterizio, ecc.) in grado di assorbire in maniera rilevante la radiazione solare e di trattenere e rilasciare lentamente il calore accumulato. Tale caratteristica è da tenere in attenta considerazione, soprattutto per la valutazione del regime estivo. Le superfici riflettenti, invece, esercitano la loro influenza non solo incrementando il carico termico sulle superfici adiacenti, ma anche alterando le condizioni di illuminazione. In particolare è da valutare il rischio di abbagliamento. La permeabilità delle superfici orizzontali è invece un fattore significativo in funzione del regime di smaltimento delle acque meteoriche. Un eccessiva impermeabilizzazione aumenta lo scorrimento superficiale con conseguente aumento del rischio di allagamento, mentre una pavimentazione permeabile non opportunamente controllata favorisce la dispersione di volumi d acqua significativi, che invece potrebbero essere riutilizzati nell ambito dell edificio come acque bianche non sanitarie. L analisi dello stato di fatto della permeabilità delle pavimentazioni in termini di analisi della permeabilità è quindi necessaria per la ridefinizione di un corretto assetto nella successiva fase di progetto. 11

12 Protagonista principale: SOLE 12

13 Parametri solari di riferimento: Declinazione ( δ ): Angolo sotteso tra la linea Terra-Sole ed il piano dell equatore (positivo verso Nord) δ = x sen [(360/365) x ( n )] con n= [1:365] giorno dell anno δ = [ : ] δ = 0 in corrispondenza degli equinozi L altezza del Sole (E) è pari alla latitudine (φ) +/- δ 13

14 Angolo orario (ω): Angolo compreso tra la proiezione del Sole sul piano equatoriale in un dato momento e la proiezione del Sole sullo stesso piano al mezzogiorno solare con h = [0:24] ora del giorno ω = 15 x ( h - 12 ) ω = [-180 :180 ] nel giro delle 24 ore ω < 0 al mattino e ω > 0 nel pomeriggio il Sole percorre un angolo di 15 /h Latitudine ( φ ): distanza angolare di un punto (P) dall equatore misurata lungo il meridiano che passa per quel punto. Longitudine: distanza angolare di un punto (P) dal meridiano fondamentale (di Greenwinch), misurata sull'arco di parallelo che passa per quel punto. 14

15 Elevazione (E): angolo formato dal vettore che unisce l origine degli assi cartesiani al Sole e la sua proiezione sul piano di orizzonte sen E = ( senφ senδ + cosφ cosδ cosω ) E varia in funzione di latitudine, giorno (attraverso δ ) e ora ( attraverso ω ) Alla nostra latitudine (φ=43 ) E= [0 :70 ] Ponendo E=0 si ottiene la durata del giorno alle varie latitudini: cosω = - tgφ tgδ 15

16 Azimuth (A): angolo formato dall asse Sud e la proiezione sul piano dell orizzonte del vettore che unisce l origine degli assi cartesiani al Sole ( negativo verso Est e positivo verso Ovest ). cos A = (senδ senφ sene ) / ( cosφ cose ) A= A se h<12 A= A se h>12 Alle nostre latitudini l azimuth varia da -120 a

17 Elementi di geometria solare Perché è importate comprendere cosa significano e come si ricavano? Perché conoscere esattamente la posizione del sole nell arco del giorno e nel corso dell anno è fondamentale per poter SCEGLIERE cosa e come progettare. 17

18 Formule: Riassumendo Elevazione (E) sene = senf send +cosf cosd cosw Azimuth (A) cosa = (send senf sene) / cosf cose A = A 180 se h < 12 A = A se h > 12 dove: f= latitudine locale d= declinazione del Sole = 23,45 x sen [360/365 x (284+n)] w= angolo orario = (H 12) x 15 Esercitazione Supponiamo di voler schermare una finestra dai raggi solari dei mesi estivi, prenderemo in considerazione: 1. Orientamento della mia finestra 2. Scelta del periodo di ombreggiamento 3. Scelta della modalità di ombreggiamento 4. Valutazione della traiettoria del sole nel periodo considerato 5. Valutazione di eventuali ombre portate sulla mia finestra 6. Scelta del tipo di schermo da utilizzare. 7. Calcolo delle caratteristiche GEOMETRICHE dell elemento schermante 18

19 1. Orientamento della mia finestra Sud 2. Scelta del periodo di ombreggiamento Dal 1 maggio al 12 agosto. 3. Scelta della modalità di ombreggiamento Nelle ore più calde del giorno, dalle 11 alle 13 ora solare, (12-14 ora legale), vorrei avere circa il 100% della superficie vetrata ombreggiata. 4. Valutazione della traiettoria del sole nel periodo considerato (nostra lat.) Calcolo E del sole alle ore 12 (A=0, coincidente con la direzione del vettore perpendicolare alla mia superficie) del 1 maggio ( che sarà circa = al 12 agosto) e del giorno in cui il sole raggiunge la sua massima elevazione: 21 giugno, solstizio d estate. Diagramma lineare della posizione del sole durante l anno P.S.: è riferito alla nostra latitudine! 19

20 1 maggio (n=121) ore 12 (ora solare) A=0 E= 61 ore 11 e ore 13 A= ±28,4 E= 58,3 21 giugno (n=172) ore 12 A=0 E= 69,5 ore 11 e ore 13 A= ±35,9 E= 66,1 ore 10 e ore 14 A= ±60 E= Valutazione di eventuali ombre portate sulla mia finestra Non presenti (Altrimenti fare il Diagramma di orizzonte) 6. Scelta del tipo di schermo da utilizzare Un aggetto a 30 cm dalla sommità della finestra 7. Calcolo delle caratteristiche geometriche dell elemento schermante L = (d / tg E ) cos A L= lunghezza dell aggetto d = distanza tra la base della finestra e l aggetto 20

21 Hip. d= 1,70 m cioè tutta la mia superficie in ombra 1 maggio (n=121) ore 12 (ora solare) A=0 E= 61 L= 0,92 m ore 11 e ore 13 A= ±28,4 E= 58,3 L= 0,94 m 21 giugno (n=172) ore 12 A=0 E= 69,5 L= 0,53 m ore 11 e ore 13 A= ±35,9 E= 66,1 L= 0,61 m ore 10 e ore 14 A= ±60 E= 58 L= 0,62 m 21

22 Domanda: Cosa succede nel periodo invernale? Si prende un giorno rappresentativo dell inverno, il 10 febbraio (n=41), o il 31 ottobre (n=304) e si verifica se, ad es., alle ore 12 la mia finestra è completamente esposta o meno all irraggiamento solare 1- Si calcola E (alle ore 12 A=0) 2- Si calcola d d = (L tg E)/ cos A (A=0 cosa=1) L = 0,94 m 10 febbraio (n=41) ore 12 A=0 E= 31,2 d= 0,57 m 21 dicembre (n=172) ore 12 A=0 E= 22,6 d= 0,39 m NON VA BENE! Il 10 febbraio la mia finestra ha già il 19 % della sua superficie in ombra! E non è mai completamente irraggiata dal sole! 22

23 Dobbiamo modificare i nostri progetti iniziali: Facciamo in modo, ad esempio, che il 1 maggio alle ore 12 sia in ombra circa il 70 % della superficie finestrata, quindi: d= 1,25 m L= 0,7 m Verifica invernale: 10 febbraio ore 12 d = 0,42 m Adesso la mia finestra ha soltanto il 9% della sua superficie in ombra! Ed il 21 dicembre è completamente irraggiata dal sole (d = 0.29 m). Valutazione dell ombreggiamento di un portico 23

24 Valutazione dell ombreggiamento di un portico 24

25 0,60 1,20 0,60 1,30 0,90 O 2, ,42 3,99 2,15 A 1,15 C D 1,10 2,25 B A B O 1,3 1,35 29 O 2,45 1,3 1, ,99 C D 1,94 2,1 42 2,15 O 1,3 2,42 41 O 1,3 punto A B C D α β

26 A' B' 2,65 2,65 47 O' 34 O' C' 2,45 D' 3,99 3,24 3,4 punto A α ,15 β 47 O' 2,42 55 O' B C 0 56 D Grafico del periodo di irraggiamento della mia porta-finestra Orizzonte Solare D' C' B' D C A' A B 26

27 Altro esempio: ombre portate d= h / tg E Metodi di approccio alla progettazione: Il nuovo Analisi preliminare: Valutazione delle probabili modalità di utilizzo dell edificio finito: obiettivi e priorità (energia-luce) Analisi del sito e rapporto con l intorno Coordinate geodetiche (Lat. e Long.) Traiettoria del sole all orizzonte Venti principali Utilizzo degli strumenti bioclimatici per il raggiungimento degli obiettivi: Scelta dell orientamento Disposizione e organizzazione dello spazio interno Progettazione di elementi architettonici di schermatura e/o di captazione solare (shed, pozzi di luce, lucernai aggetti, pergolati, frangisole, logge serre) 27

28 L esistente Analisi preliminare: Valutazione delle reali modalità di utilizzo dell edificio in esame: obiettivi e priorità (energia-luce) Analisi del sito e rapporto con l intorno Analisi dell organismo architettonico: struttura e forma Coordinate geodetiche (Lat. e Long.) Traiettoria del sole all orizzonte Venti principali Utilizzo degli strumenti bioclimatici per il raggiungimento degli obiettivi: Valutazione di un eventuale riorganizzazione dello spazio interno Possibili interventi sull intero organismo architettonico: struttura e forma Progettazione di elementi architettonici di schermatura e/o di captazione solare (shed, pozzi di luce, lucernai aggetti, pergolati, frangisole, logge serre) Facciamo qualche precisazione: La valutazione della quantità di energia risparmiata in termini di kw h /anno attraverso l utilizzo di strumenti bioclimatici deve rispondere alle metodologie di calcolo della L. 10/1991 aggiornata al D.lgs 192/2005, D.lgs 311/2006 e D.P.R. 59/09. Anche la trasmittanza minima di pareti e serramenti deve soddisfare le indicazioni di tali norme, non permettendo l utilizzo di certe strategie: non è possibile, ad es. non isolare una parete a SUD. Stessa osservazione per la stima della resa energetica di un pannello solare termico o fotovoltaico, anche se la conoscenza della geometria solare ne permette un corretto posizionamento. 28

29 Conclusioni: E importante sottolineare che l approccio metodologico esposto in questa sede costituisce un efficace strumento per il raggiungimento di standard qualitativi abitativi elevati. Tuttavia la quantificazione degli apporti energetici ottenuti attraverso una progettazione bioclimatica necessita, ad oggi, di una verifica secondo i parametri normativi vigenti. Grazie per l attenzione dott. slvdgs@gmail.com Tel./fax