1 CORSO DI A.A. 2013-2014 Sezione 04 Prof. Ing. Sergio Montelpare Dipartimento INGEO Università G. d Annunzio Chieti-Pescara
2 Orbita Terrestre La Terra effettua un orbita ellittica attorno al Sole con una eccentricità (e) pari a 0.016708. La distanza minore fra la Terra ed il Sole si ha quando la prima raggiunge il Perielio (P), ciò accade a pochi giorni di ritardo dal Solstizio d Inverno (nel 2010 è avvenuto il giorno 3 Gennaio). La linea che unisce il Perielio con l Afelio (A), punto più lontano, viene chiamata la linea degli APSIDI ed è l asse maggiore dell orbita ellittica. Dovendo la terra descrivere, per la seconda legge di Keplero, aree uguali in tempi uguali, la velocità con cui essa percorre la sua orbita attorno al sole non è costante ma varia continuamente passando dall afelio al perielio. A questo fatto si deve la differente durata delle varie stagioni, che non sono legate alla distanza dal sole ma all inclinazione dei raggi solari rispetto al terreno; infatti nell emisfero nord l inverno si ha al perielio. Emisfero Boreale Inizio primavera 20-21 marzo Durata 92d 18h estate 21-22 giugno 93d 16h autunno 22-23 settembre 89d 20h inverno 21-22 dicembre 89d 00h e = d A d P d A + d P = 0,016708 [ ] [ ] d A = 152'099'527 km d P = 147'100'472 km v P 30.29 km s mentre v 29.29 km A s
Orbita Terrestre Il piano contenente l orbita ellittica della Terra ed il Sole è detto PIANO DELL ECLITTICA e risulta inclinato di 23 27 rispetto al PIANO EQUATORIALE terrestre. Il fatto che l asse di rotazione sia inclinato sempre dello stesso angolo (in questa epoca, data la lentezza della precessione, il nord terrestre punta sempre in una direzione prossima alla stella polare), fa si che la varie zone della terra non siano sempre illuminate in modo equivalente durante l anno; è questo che dà luogo a variazioni climatiche periodiche dette STAGIONI. Il 22 dicembre il sole è perpendicolare al Tropico del Capricorno e il Polo Nord è inclinato di 23,5 in direzione opposta al Sole; ciò fa si che la minore quantità di radiazioni solari incidenti sull emisfero boreale provochi una minore temperatura ed una breve durata del giorno. Proseguendo la sua rivoluzione attorno al sole, il sole arriva allo Zenit (90 sull orizzonte) per latitudini crescenti ed il 21 marzo si arriva all equinozio di primavera chiamato così perché i raggi solari sono perpendicolari all Equatore e tangenti ai Poli e, pertanto, la durata del giorno è esattamente uguale a quella della notte in tutti i punti terrestri
Orbita Terrestre L energia radiante, nell emisfero boreale, seguita ad aumentare fino al Solstizio d estate (22 Giugno), quando il Sole raggiunge lo zenit al Tropico del Cancro. Continuando la rivoluzione attorno al sole si arriva al 23 Settembre, ovvero all Equinozio di autunno. Riassumendo durante l anno si avranno variazioni delle ore di illuminamento ed anche della massima altezza del sole sull orizzonte. Queste informazioni risultano fondamentali per una corretta progettazione solare. Percorso solare a latitudini intermedie Percorso solare in Norvegia d Estate
5 La Posizione del Sole Per identificare la posizione del sole rispetto ad un punto sulla terra è necessario specificare due angoli. Il primo è l Angolo di Altezza Solare β, che corrisponde all angolo (verticale) formato tra la direzione dei raggi solari, ritenuti collimati, ed il piano orizzontale (corrisponde all altezza del sole sull orizzonte). Il secondo è l Angolo azimutale α, che corrisponde all angolo, misurato sul piano orizzontale, tra il piano verticale passante per il sole e la direzione del Sud, (0 in direzione sud). Il valore che nei vari periodi dell anno questi due angoli andranno ad assumere, dipenderà a sua volta dalla declinazione δ, dalla latitudine L e dall angolo orario ω. L angolo orario ω è l angolo formato dal piano meridiano passante per il sole con il meridiano di riferimento (Greenwich) ed assume valori compresi tra -180 e 180 variando di 15 ogni ora (velocità angolare terrestre). La declinazione δ è l angolo formato dalla direzione dei raggi solari (direzione Sole-Terra) con il piano dell equatore, è anche uguale all'angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno, sul meridiano considerato, col piano equatoriale. E positiva quando il Sole sta al di sopra del piano equatoriale ed è negativa quando il Sole è al di sotto di esso; essa varia durante l anno da un valore di -23 27 in inverno ad un valore di 23 27 in estate. β α
6 La Posizione del Sole La posizione del sole (altezza solare β ) in ogni istante dell anno dipende da diverse variabili sintetizzabili in QUATTRO tipologie principali: Orbitali (Declinazione solare δ e giorno dell anno n ) Posizionali (Latitudine L e Longitudine) Temporali (Ora locale e Ora solare H ) Geometriche (Posizione della superficie: Azimuth Φ, Angolo di Inclinazione Σ ) δ = 23,45 sen 2π 284 + n g 365 β = arcsen(cosl cosδ cos H + senl senδ ) senl senβ senδ φ = ar cos cosβ cosl γ = φ + ψ θ = ar cos(senδ senl cos senδ cosl sen cosψ + + cosδ cosl cos cos H + cosδ senl sen cos H cosψ + + cosδ senh sen senψ )
7 Il Tempo solare apparente viene riportato in ore decimali (AST) o in gradi angolo (H). Esso viene calcolato partendo dall ora solare media del sito e dalla sua longitudine. In Italia ad esempio l ora solare media è pari all ora di Greenwich +1; però questo vale per tutti i luoghi che ricadono nello stesso Fuso Orario, ossia all interno di un arco di Longitudine di 15. L ora solare locale media di un sito dovrà tenere conto della sua longitudine comparata con quella del fuso orario di riferimento. Se prendiamo come località Pescara, essa giace all interno del fuso orario di Longitudine LSM=+15, mentre la longitudine dell Università è invece pari a 14.225. Per arrivare all ora solare locale esatta dovremo introdurre anche l equazione del tempo ET che indica la differenza fra il mezzogiorno segnato dai nostri orologi e l istante della culminazione superiore (massima altezza del sole sull orizzonte); quest ultima differenza è dovuta alla differente velocità con cui la terra percorre la sua orbita attorno al sole. H: Tempo solare apparente (gradi angolo) AST: Tempo solare apparente (ore decimali) LST: Ora solare media(ore decimali) ET: Equazione del tempo (minuti decimali) LSM: Longitudine del Meridiano locale del fuso orario, a partire da Greenwich (1 fuso ogni 15 ) LON: Longitudine locale (gradi decimali) AST = LST + ET 60 H = 15 (AST 12) LSM LON 15 Località LaNtudine Longitudine PESCARA 42.452 N 14.225 E Posizione del Sole MESE ET (min) Gennaio - 11.2 Febbraio - 13.9 Marzo - 7.5 Aprile +1.1 Maggio +3.3 Giugno - 1.4 Luglio - 6.2 Agosto - 2.4 SeFembre +7.5 OFobre +15.4 Novembre +13.8 Dicembre +1.6
8 La Posizione del Sole ET = 9.87 sen 2 360 (n 81) 366 n 1 7.67 sen 360 366
9 La Posizione del Sole (n 81) n 1 ET = 9.87 sen 2 360 7.67 sen 360 366 366
10 Diagrammi Solari I valori dell altezza solare β e dell azimut α, alle diverse ore del giorno di qualsiasi periodo dell anno, possono essere facilmente conosciuti utilizzando i diagrammi dei percorsi solari, anziché utilizzare le relative formule viste in precedenza. In questi sono diagrammi, tracciati per ogni latitudine, sono riportati l altezza solare e l azimut nei vari periodi dell anno. Possono essere in coordinate polari o in coordinate cartesiane. Tali carte solari possono servire anche per effettuare una valutazione grafica delle ombre proiettate da oggetti o ostruzioni su superfici verticali o orizzontali e per determinare il soleggiamento di un territorio ad orografia complessa. a) Nei diagrammi in coordinate polari l osservatore è posizionato al centro del diagramma in cui una successione di circonferenze concentriche rappresentano le varie altezze solari. Dal punto centrale partono poi una serie di raggi identificati da 0 a 360. Su questa base sono poi tracciate le traiettorie solari. b) I diagrammi in coordinate cartesiane danno invece una proiezione verticale del percorso solare così come sarebbe visto da un osservatore posto sulla terra. Sull asse orizzontale si possono leggere gli angoli di azimut mentre su quello verticale le altezze solari.
11 Diagramma Solare Polare Il tipo più tradizionale di diagramma è quello polare, in cui si riportano i valori dell altezza solare (circonferenze) e dell azimut (raggi) calcolati per ciascun punto della traiettoria del Sole nel giorno considerato ed alla latitudine scelta. Si trovano diagrammi con traiettorie solari ricavate per il 20-21 giorno dei mesi più significativi. Volendo ad esempio conoscere la posizione azimutale del sole e la sua altezza il giorno 20 Marzo alle ore 10:00, basterà prima segnare il punto corrispondente all intersezione del giorno con l ora. Poi si potrà leggere sulla circonferenza esterna l angolo di azimut (140 N) e quindi l altezza solare sulle circonferenze interne (40 ).
Diagrammi Solari per Differenti Latitudini Trondheim Pescara Partendo da latitudini Nord molto elevate e scendendo via via sino a latitudini sud corrispondenti al Sud Africa, si vede come il diagramma eoliodromico polare vari significativamente e finisca per spostarsi dalla metà inferiore verso quella superiore. Libreville Pretoria
Periodo di Insolazione da Diagramma Solare Polare Per capire in quali momenti dell anno ed in quali ore del giorno una facciata è soggetta ad illuminamento solare è possibile sovrapporre il digramma solare sulla pianta dell edificio. Il primo passo da fare è allineare cartografia e diagramma in modo corretto rispetto al nord. Poi va disegnata una linea parallela alla facciata e passante per il centro del diagramma. Le intersezioni con i percorsi solari indicano gli estremi dei periodi di insolazione. Dalla lettura del diagramma si possono facilmente determinare anche le direzioni e le estensioni delle ombre formate dall edificio.
14 Diagramma Solare Cartesiano Oltre al diagramma polare si possono trovare diagrammi cartesiani in cui sull asse orizzontale vengono riportati i valori di azimut e su quello verticale i valori di altezza solare. E evidente che le curve delle traiettorie solari raggiungeranno altezze maggiori nei mesi estivi e nelle ore centrali della giornata.
Periodo di Insolazione da Diagramma Solare Cartesiano Riportando su un diagramma cartesiano lo stitching di una serie di foto panoramiche, è possibile individuare chiaramente sia i percorsi del sole che le ore ed i mesi in cui esso verrà schermato dagli ostacoli presenti nel luogo di interesse. Nella fattispecie le foto dovranno essere scattate dal luogo in cui si vuole determinare l irraggiamento solare e dovranno opportunamente essere orientate rispetto alle direzioni cardinali. Nell immagine di esempio riportata, l edificio posto i direzione 225 N coprirà il sole, nel mese di dicembre, dalle 15:00 in poi. La vegetazione presente in direzioni con azimut inferiori a 135 N coprirà il sole, sempre nel mese di dicembre, fino alle ore 9:00.
Calcolo delle Ombre Portate I diagrammi solari polari permettono anche di effettuare un calcolo delle ombre portate da edifici o da aggetti verticali ed orizzontali. Per fare ciò accanto al diagramma polare va usata la maschera di ombreggiamento.
Ombre da Aggetto Orizzontale Indefinito Per il calcolo delle ombre portate da un aggetto orizzontale di lunghezza indefinita si parte scegliendo il diagramma polare relativo alla latitudine dell edificio in esame. Successivamente si orienta la maschera di ombreggiamento in modo tale che la normale uscente dalla parete in esame sia nella direzione evidenziata sul diagramma polare (nell esempio 220 N). Si oscura poi nella maschera dell ombreggiamento il settore corrispondente agli angoli compresi fra la direttrice del bordo dell aggetto e la verticale (nell esempio da 60 a 90 ). L area che rimane fuori dalla parte oscurata corrisponde agli intervalli di tempo in cui il sole supera l ostacolo portato dall aggetto e arriva sulla parete (nell esempio la finestra). Sezione N Pianta 220 N 220 N
Ombre da Aggetto Orizzontale Finito Per il calcolo delle ombre portate da un aggetto orizzontale di lunghezza finita si parte scegliendo il diagramma polare relativo alla latitudine dell edificio in esame. Successivamente si orienta la maschera di ombreggiamento in modo tale che la normale uscente dalla parete in esame sia nella direzione evidenziata sul diagramma polare (nell esempio 220 N). Si oscurano poi nella maschera dell ombreggiamento i settori corrispondente sia agli angoli compresi fra la direttrice del bordo dell aggetto e la verticale (nell esempio da 60 a 90 ), che quelli compresi fra l orizzontale ed il bordo laterale dell aggetto (0-40 ). Sezione N Pianta 220 N 220 N
Ombre da Aggetto Verticale Indefinito Per il calcolo delle ombre portate da un aggetto verticale di lunghezza indefinita si parte scegliendo il diagramma polare relativo alla latitudine dell edificio in esame. Successivamente si orienta la maschera di ombreggiamento in modo tale che la normale uscente dalla parete in esame sia nella direzione evidenziata sul diagramma polare (nell esempio 220 N). Si oscura poi nella maschera dell ombreggiamento il settore compreso fra l orizzontale e la direttrice che intercetta il bordo dell aggetto (nell esempio da 0 a 60 ). L area che rimane fuori dalla parte oscurata corrisponde agli intervalli di tempo in cui il sole supera l ostacolo portato dall aggetto e arriva sulla parete (nell esempio la finestra). N Pianta 220 N 220 N
Ombre da Aggetto Verticale Finito Per il calcolo delle ombre portate da un aggetto verticale di lunghezza finita si parte scegliendo il diagramma polare relativo alla latitudine dell edificio in esame. Successivamente si orienta la maschera di ombreggiamento in modo tale che la normale uscente dalla parete in esame sia nella direzione evidenziata sul diagramma polare (nell esempio 220 N). Si oscurano poi nella maschera dell ombreggiamento i settori compreso fra l orizzontale e la direttrice che intercetta il bordo superiore dell aggetto (nell esempio da 0 a 60 ) e fra il bordo anteriore e la normale alla parete. N Pianta 220 N 220 N
Al di fuori dell atmosfera terrestre l energia radiante proveniente dal sole è pari, mediamente al valore della Costante Solare, 1373 W/m 2, e la distribuzione spettrale di tale energia ricalca quella di un corpo nero che emette a 5782 C. Si ha così che circa il 9% dell energia è contenuta nell Ultravioletto (fra 0,29 e 0,40 mm), il 39% nella regione del Visibile (fra 0,40 e 0,70 mm) ed il restante 52% nella regione dell Infrarosso Vicino (fra 0,70 e 3,5 mm); il picco di radiazione si ha a 0,48 mm, che corrisponde al colore verde. Quando la radiazione solare attraversa l atmosfera essa viene assorbita e diffusa a causa delle molecole di: aria, vapore acqueo, polvere e goccioline di acqua presenti nelle nubi. Si ha così che solo una parte dell energia riesce a raggiungere il terreno. La maggior parte della radiazione ultravioletta è assorbita dall Ozono. La porzione di energia solare che riesce a raggiungere la Terra senza assorbimenti o Diffusioni viene chiamata Radiazione Diretta. Si da invece il nome di Radiazione Diffusa a quella porzione di energia radiante proveniente dall atmosfera. Spettro della radiazione solare DENSITA' SPETTRALE DI POTENZA [W/m²] 1800 1200 800 400 0 1350 W/m² (AM0) 1000 W/m² (AM1) RADIAZIONE VISIBILE DALL'OCCHIO UMANO LUNGHEZZA D'ONDA 0,3 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [µm]
La radiazione solare incidente sulla Terra è stata misurata ed i dati, orari e mensili, sono forniti in funzione della Latitudine del sito preso in considerazione. Tutta l Italia è compresa fra circa 36 e 47 di Latitudine Nord. Esistono numerosi atlanti della radiazione solare incidente sul piano orizzontale ed alcuni di questi vengono gratuitamente forniti dalla comunità europea attraverso il sito: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/countries/ countries-europe.htm Irraggiamento Solare
Radiazione Solare Incidente ad una Latitudine di 40 Mese Direzione Ore 8:00 (W/m 2 ) Ore 12:00 (W/m 2 ) Ore 16:00 (W/m 2 ) Totale Giornaliera Wh/m 2 Nord 20 71 20 446 Est 402 76 20 1863 Gennaio Sud 271 922 271 5897 Ovest 20 76 402 1863 Orizzontale 51 482 51 2568 Nord 79 122 79 1117 Est 810 131 77 4006 Aprile Sud 149 559 149 3536 Ovest 77 122 810 4006 Orizzontale 447 911 447 6938 Nord 103 138 103 1621 Est 782 149 95 4313 Luglio Sud 108 395 108 2552 Ovest 95 149 782 4313 Orizzontale 528 949 528 3902 Nord 40 90 40 453 Est 626 90 40 2578 Ottobre Sud 321 847 321 5731 Ovest 40 97 626 2578 Orizzontale 156 640 156 3917
Radiazione solare media giornaliera ed angolo di inclinazione della superficie Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici con differenti angoli di inclinazione Σ ed orientate a Sud (azimut ϕ = 0). Località con latitudine L = 42.27 Nord e cielo sereno. [MJ/m 2 /giorno] 1 kwh = 3.6 MJ
Radiazione solare giornaliera media annua al variare dell inclinazione della superficie Andamento della radiazione solare giornaliera media annua al variare dell inclinazione della superficie captante, orientata a Sud. Località con latitudine 42.27 Nord
Metodo di Liu-Jordan Il metodo di Liu-Jordan si applica per il calcolo della radiazione totale incidente su di un piano inclinato; esso viene utilizzato quando per il sito oggetto di studio sono disponibili solo i dati di radiazione su di un piano orizzontale (G OR ). Poiché la Radiazione totale è formata dalla somma delle componenti: diretta (I), diffusa (D) e riflessa (R) il contributo di ognuna di esse dipende da diversi fattori, geometrici e non, che sono correlati secondo le formule seguenti: I sc = costante solare pari a 1353 W m 2 G O = I sc 1+ 0,033 cos 360 n g 365 cos(l) cos(δ ) sen(ω ) + π s 180 ω sen(l) sen(δ ) s K t = G OR G O = indice di serenità media mensile ( ) D OR = G OR 1,39 4,027 K t + 5,331 K t 2 3,108 K t 3 I OR = G OR D OR ω s = arccos( tg(δ ) tg(l)) = angolo di alba e tramonto ω s ' = min(ω s ;ω s Σ) A = π 180 ω ' sen(δ ) sen(l Σ) + sen(ω s s ') cos(δ ) cos(l Σ) B = π 180 ω sen(δ ) sen(l) + sen(ω s s ) cos(δ ) cos(l) R b = A B 1+ cos(σ) 1 cos(σ) G = I + D + R = R b I OR + D OR + G OR ρ g 2 2 24 π G O = Radiazione totale su piano orizzontale fuori dall atmosfera (Wh/m 2 ) G OR =Radiazione totale su piano orizzontale sulla terra (Wh/m 2 ) I OR = Componente diretta della Radiazione totale su piano orizzontale D OR = Componente diffusa della Radiazione totale su piano orizzontale n g = numero del giorno dell anno L = Latitudine ( ) δ = Declinazione ( ) Σ = Inclinazione della superficie dal piano orizzontale ( ) ρ g = Albedo del terreno
Superfici Vetrate Lo scopo principale di una superficie vetrata è quello di permettere l ingresso della luce diurna all interno di un ambiente. Poiché, però, la radiazione solare contiene una buona quantità di energia nel basso infrarosso, ed essendo le superfici murarie fortemente assorbenti in questo range di lunghezze d onda, avremo che l ingresso dell energia solare provocherà anche un riscaldamento dell ambiente interno. Le pareti interne alla stanza sono dei buoni emettitori nell infrarosso per cui tenderanno di liberarsi del calore accumulato ma, poiché il vetro è opaco nell infrarosso, le radiazioni emesse dalle pareti verranno riflesse verso l interno; si genera un vero e proprio effetto Serra. Se durante il periodo Invernale il fenomeno sopra descritto può indurre un apporto gratuito di calore, quindi essere favorevole, durante il periodo Estivo esso diventa un carico termico da dover smaltire, ad esempio mediante l impianto di climatizzazione. A quanto finora detto si aggiunge un contributo ulteriore che deriva dalla porzione di energia solare assorbita dal vetro, e che lo stesso reintroduce verso gli ambienti: esterno ed interno. Una ragionevole quantificazione dei diversi contributi radianti che coinvolgono una superficie vetrata sono riportati nella figura soprastante. Il vetro chiaro, da 3 mm. di spessore, viene preso come standard di riferimento con cui comparare il comportamento di superfici vetrate più complesse.
Fattore di guadagno solare (Solar Heat Gain Coefficient SHGC) Per definire l entità di apporto radiativo attraverso la superficie vetrata viene introdotto un coefficiente adimensionale chiamato Fattore di Guadagno Solare. Esso è rappresentato dal rapporto fra la radiazione immessa nella stanza (somma di quella che viene trasmessa dal vetro e di quella porzione emessa da quest ultimo verso l ambiente interno) e la radiazione solare totale, incidente sulla superficie vetrata. SHGC = radiazione solare che attraversa il vetro radiazione solare incidente = τ s + f i α s Dove f i rappresenta la frazione di energia assorbita dal vetro e reimmessa verso l interno. Una volta noto il valore di SHGC è possibile calcolare il flusso termico radiante che entra in ambiente, come: Q solare = SHGC A vetro q s Spessore (mm) 3 4 5 6 8 10 Cristallo chiaro 0,88 0,88 0,87 0,85 0,82 0,80 Cristallo colorato bronzo 0,68 0,63 0,59 0,51 0,47 Cristallo riflettente chiaro 0,56 Cristallo riflettente grigio 0,37 Vetrate Isolanti 0,2 0,5 per una vetrata [6 6] Valori di SHGC per diversi tipi di vetro
Coefficiente di schermatura (Shading Coefficient SC) Un altro modo di caratterizzare la trasmissione solare di una superficie vetrata è quello di confrontare le caratteristiche di trasmissione della stessa con quelle di un vetro di riferimento. Si introduce così il concetto di Shading Coefficient (SC). SC = SHGC SHGC rif = SHGC 0,87 = 1,15 SHGC SHGC rif = Coefficiente di Guadagno solare di un vetro chiaro, da 3 mm. di spessore, avente un coefficiente di trasmissione di 0,86 ed un coefficiente di assorbimento di 0,06; nel caso di irraggiamento solare di direzione ortogonale al vetro stesso. Il valore comunemente assunto è di 0,87. Q solare = SHGC A vetro q s = 0.87 SC A vetro q s La Tabella sottostante riporta il flusso termico specifico (W/m 2 ) radiante che attraversa il vetro di riferimento, ad una latitudine di 40 Nord. Lat. 40 N NE E SE S SW W NO Orizz. Giugno 52,4 417,6 509,2 349,2 169,4 349,2 509,2 417,6 744,7 Lug, Mag 46,4 399,0 515,0 393,2 216,9 393,2 515,0 399,0 732,0 Ag, Apr 33,6 320,1 509,2 458,2 320,2 458,2 509,2 320,1 672,8 Set, Mar 27,8 182,1 468,6 509,2 439,6 509,2 468,6 182,1 575,4 Ott, Feb 22,0 109,0 328,8 512,7 509,2 512,7 382,8 109,0 404,8 Nov, Gen 15,1 37,1 314,4 490,7 522,0 490,7 314,4 37,1 323,6 Dicembre 15,1 31,3 270,3 465,2 518,5 465,2 270,3 31,3 266,8
Flusso totale attraverso la superficie vetrata Il flusso totale trasmesso attraverso una superficie vetrata è pari alla somma di quello stazionario (ossia che non tiene conto dell irraggiamento solare diretto) e del flusso solare trasmesso dalla superficie vetrata Q tot = K finestra A (T e T i ) + Q solare = K finestra A (T e T i ) + 0,87 SC A q s VETRO SINGOLO SC Tipo di vetro Sp. (mm) τ s α e =23 W/m 2 K α e =17 W/m 2 K Chiaro 3 0,86 1,00 1,00 6 0,78 0,94 0,95 9 0,72 0,90 0,92 12 0,67 0,87 0,88 Atermico 3 0,64 0,83 0,85 6 0,46 0,69 0,73 9 0,33 0,60 0,64 12 0,24 0,53 0,58 VETRO DOPPIO Chiaro est+chiaro int 3 0,71 0,88 0,88 Chiaro est+chiaro int 6 0,61 0,81 0,82 Aterm. int+chiaro est 6 0,36 0,55 0,58
Interazione con l ambiente Superfici vetrate in climi freddi E ragionevole usufruire dell apporto termico solare; ciò permette di ridurre la potenza termica da riscaldamento tradizionale. Per poter favorire l ingresso di energia solare bisogna ridurre il coefficiente di riflessione della superficie esterna del vetro. In questo modo una grossa quantità di energia radiante entrerà all interno della stanza. Una volta irradiate, le pareti interne della stanza si scalderanno e re-irraggeranno verso il vetro; per poter trattenere questa energia è necessario incrementare il coefficiente di riflessione della superficie interna del vetro. Tale incremento deve essere limitato alla banda del medio-alto infrarosso in modo da riflettere solo le emissioni delle pareti interne.
Interazione con l ambiente Superfici vetrate in climi caldi Al contrario, nei climi caldi è necessario ridurre l apporto di calore proveniente dal sole, al fine di limitare la potenza frigorifera necessaria al condizionamento dell ambiente interno. Ciò può essere fatto, in prima battuta, inserendo delle tettoie al di sopra delle superfici vetrate. Alternativamente è possibile utilizzare dei tendaggi, anche se bisogna prestare attenzione affinché vi sia sempre della ventilazione fra il vetro e la tenda; ciò al fine di evitare eccessivi riscaldamenti, e quindi dilatazioni, della superficie vetrata. In aggiunta è possibile apporre sulla superficie esterna del vetro una pellicola riflettente; ciò limita l ingresso di radiazione solare, ed anche di luce visibile. Di pari passo sulla superficie interna si può aggiungere una pellicola a bassa emissione, al fine di ridurre l irraggiamento verso l interno.
Trasmittanza termica di una superficie vetrata Una superficie vetrata non presenta un comportamento monodimensionale alla trasmissione del calore. A causa della presenza dell infisso si ha una variazione della conducibilità termica della superficie vetrata, che induce un fenomeno di tridimensionalità del flusso termico (ponte termico). Quella porzione di vetro che è più vicina al telaio dell infisso, risente della presenza termica dello stesso e presenta, a sua volta, un comportamento termico diverso dalla zona centrale del vetro. E consuetudine dividere una finestra in 3 zone diverse: l infisso, la zona centrale del vetro e la zona di confine del vetro. Quest ultima viene assunta, per convenzione, come una fascia di 65 mm. che corre tutta attorno al vetro. Termografia di una finestra esposta alla radiazione solare Zona di contorno del vetro Zona centrale del vetro Zona dell infisso Trasmittanza di una finestra K f = K inf A inf + K c.v. A c.v. + K b.v. A b.v. A f K f - A f = Trasmittanza ed area della finestra K c.v. - A c.v. = Trasmittanza ed area della zona centrale del vetro K b.v. - A b.v. = Trasmittanza ed area della zona di bordo del vetro K inf - A inf = Trasmittanza ed area dell infisso
Trasmittanza termica della zona centrale del vetro Lo scambio termico attraverso la zona centrale del vetro può essere ipotizzato di tipo monodimensionale; come tale è lecito applicare l analogia elettrica per la sua determinazione. Nel caso del Vetro Singolo, il flusso attraverso quest ultimo fluirà solo per Conduzione; diversamente nel Vetro Doppio lo scambio attraverso le due superfici in vetro avviene per un fenomeno combinato di Convezione ed Irraggiamento. Poiché l intercapedine è riempita di gas, e presenta in genere una trasmittanza molto piccola, è possibile trascurare la trasmittanza dei due vetri nel calcolo della trasmittanza totale del sistema. 1 K c.v. = 1 + L α i λ + 1 α e α e = 34 W / m 2 K in Inverno α e = 22,7 W / m 2 K in Estate α i = 8,29 W / m 2 K 1 K c.v. = 1 + 1 + 1 α i h gap α e h gap = h conv + h rad
Trasmittanza dell intercapedine di gas La trasmittanza dell intercapedine dipende, come detto in precedenza, dal fenomeno combinato di scambio termico convettivo e radiativo fra le superfici dei vetri poste a contatto con il gas di riempimento. Lo scambio termico per irraggiamento a sua volta dipende dalle emissività di tali superfici. Poiché lo scopo del doppio vetro è quello di ridurre le dispersioni di calore verso l esterno, dovremo assicuraci che l intercapedine di gas non sia troppo spessa, altrimenti potrebbero innescarsi dei fenomeni convettivi eccessivi (l intercapedine non deve superare i 13 mm.). Oltre a ciò per ridurre lo scambio termico per Irraggiamento è essenziale che almeno una delle due superfici vetrate sia a bassa emissività; ciò permette di ridurre la trasmittanza dell intercapedine anche del 50%. A tal proposito l emissività del vetro nell infrarosso è di circa 0,84; inserendo una pellicola con emissività pari a 0,1, su uno solo dei due vetri, si ottiene una emissività equivalente dell intercapedine di 0,098. Si scende ad un valore di 0,05 di emissività equivalente qualora ambedue i vetri siano rivestiti con pellicola a bassa emissività. ε g = 1 1 + 1 1 ε 2 ε 3 ( ) W Q rad 2 3 = ε g σ A T 3 4 T 2 4 [ ]
Trasmittanza del bordo-vetro La trasmittanza di questa porzione della superficie vetrata che, per convenzione, interessa una striscia perimetrale di 65 mm. di larghezza, dipende da: tipo di vetro (singolo, o doppio), nel vetro singolo viene assunta pari a quella del centro vetro sistema di fissaggio del vetro all infisso. Di norma il dato numerico dovrebbe essere fornito dal costruttore della finestra, ma non sempre è possibile reperire tale informazione nella letteratura tecnica; per superare tale problema un valore di tentativo di K b.v. può essere trovato mediante la correlazione di Arasteh (1989). 2 K b.v. = A + B K c.v. + C K c.v. I valori dei parametri A, B e C dipendono dal tipo di materiale utilizzato per tenere separati i vetri. Distanziatori A B C Metallo 1,266 0,842-0,027 Isolante (legno) 0,681 0,682 0,043 Vetro 0,897 0,774 0,010 Metallo+isolante 0,769 0,706 0,033
Trasmittanza dell infisso Il valore della trasmittanza della struttura dell infisso, K inf, dipende sia dal tipo di materiale con cui è fatta la struttura della finestra che dal materiale della giunzione di contatto fra la parte mobile della finestra e la parte fissa del telaio. Nella tabella sottostante sono riportati alcuni valori tipici di trasmittanza di infisso per finestre apribili. Nel caso di finestre fisse è possibile assumere un valore di trasmittanza di circa il 10-15% inferiore. Materiale infisso Materiale distanziatore Vetro singolo(*) (W/m 2 K) Vetro doppio(*) (W/m 2 K) Alluminio Qualunque 13,51 12,89 Alluminio con barriera termica Metallo Isolante 6,81 5,22 5,00 Legno/Vinile Fibra di vetro/vinile Metallo Isolante Metallo Isolante 3,12 2,90 2,78 2,10 1,87 1,82 (*) Per vetro singolo si assume uno spessore di 3 mm.; per vetro doppio si assume uno spessore totale di 19 mm. (3-13-3).
Nel caso più generale un vetro è formato da: Composizione del vetro un vetrificante (in genere Silice sotto forma di sabbia) un fondente (Soda o Potassa sotto forma di Solfato o Carbonato) che ha lo scopo di ridurre il punto di fusione del miscuglio uno stabilizzante (Calce sotto forma di Carbonato) al fine di fornire una maggiore resistenza all attacco dell acqua. Attualmente la composizione di un vetro standard, prodotto mediante procedimento Float-Glass, è la seguente: Silice SiO 2 72% Allumina 1,5% Calce CaO 10% Magnesia MgO 3% Soda Na 2 O 13,5% Il procedimento Float-Glass, introdotto nel 1959, e portato in produzione dalla Saint Gobain nel 1965, consiste nella laminazione dell amalgama fuso che viene fatto stabilizzare su bagno di stagno fuso, in atmosfera inerte.
Colori del vetro Normalmente la colorazione di un vetro viene ottenuta mediante la dispersione di ossidi metallici o di polveri metalliche nell amalgama fuso. Il colore che assume il vetro è fortemente dipendente dal tipo di materiale che è stato utilizzato per il rivestimento. Colorante Colore Ossido di Ferro Ossido di Rame Ossido di Cobalto Oro e Stagno Selenio e Cadmio Cobalto+Ferro+Selenio Cobalto+Ferro+Selenio+Cromo Blu-Verde Rosso-Viola Blu intenso Dal Rosa al Porpora Dal Rosso al Giallo Arancio Bronzo Grigio I cristalli atermici presentano in genere una colorazione Bronzo o Grigio che fornisce a questo tipo di vetro una forte selettività; infatti esso assorbe una porzione consistente dell energia solare per poi restituirla, preferenzialmente, verso l ambiente esterno. La peculiarità di avere un alto coefficiente di assorbimento all energia solare richiede una particolare cautela durante la messa in opera, al fine di evitare rotture per dilatazione termica.
Classificazione dei vetri Poiché i campi di applicazione delle superfici vetrate sono molteplici la classificazione, riportata in seguito, è del tutto qualitativa e coinvolge solo quelle tipologie di vetro maggiormente utilizzate in edilizia. Vetri a Controllo Solare hanno lo scopo di limitare l ingresso di energia solare nell ambiente interno, tutti i vetri colorati raggiungono questo scopo a scapito di un riscaldamento del vetro stesso per assorbimento di energia solare incidente: sono i vetri atermici. Vetri Riflettenti diversamente la loro peculiarità è quella di avere un elevato coefficiente di riflessione alla radiazione solare. In genere solo una faccia del vetro viene rivestita di ossidi metallici riflettenti che forniscono al vetro un coefficiente di riflessione, nel visibile, fino a circa 0,35. Tali vetri vengono di norma impiegati in facciate vetrate esposte a forte insolazione, al fine di ridurre la potenza refrigerante necessaria all impianto di condizionamento. Vetri Isolanti Da soli i vetri riflettenti non assolvono al compito di impedire la fuoriuscita del calore durante la stagione invernale. Per far ciò si suole utilizzare una struttura a vetro doppio (pannelli vetrocamera) con intercapedine di gas. In questo modo la superficie vetrata riesce ad essere più flessibile in quanto i due vetri possono essere scelti con caratteristiche diverse fra loro. Ad esempio è possibile applicare verso l esterno un vetro riflettente mentre, il vetro più interno potrebbe avere una superficie a bassa emissività nell infrarosso. In questo modo il sistema andrebbe a soddisfare sia la riduzione di apporto di energia solare estiva che la riduzione di fuga di calore verso l esterno durante l inverno. Questa tipologia di superficie vetrata, oggi molto usata, richiede però una corretta posa in opera oltre che dei serramenti a bassa conducibilità termica.
Classificazione dei vetri Vetri Cromogenici si tratta di materiali le cui proprietà ottiche variano in funzione di un impulso esterno. Si parla di vetri: " Fotocromici se la natura dell impulso dipende dalla Luce Solare " Termocromici se la colorazione cambia al variare della Temperatura " Elettrocromici se le proprietà ottiche dipendono da un Impulso Elettrico. Particolarmente questi ultimi sembrano mostrare buone possibilità di sviluppo futuro; allo stato attuale i vetri Elettrocromici vengono realizzati mediante il deposito di 5 strati successivi di ossidi su di un cristallo trasparente. Il primo e l ultimo strato sono dei film conduttivi ai quali viene applicata una differenza di potenziale elettrico (1 o 2 volts). In mezzo a tali films sono depositati: uno strato di ossido di tungsteno (che funge da elemento elettrocromico), uno strato elettrolitico ed uno strato che funge da accumulo di ioni. Proprio da quest ultimo, sotto l azione di una differenza di potenziale elettrico, gli ioni migrano verso lo strato elettrocromico; ciò modifica il colore di tale strato, in presenza di luce. Per far rivirare la pellicola termocromica verso il trasparente occorre invertire la polarità del generatore di tensione.
Alcuni valori tipici di cristalli singoli, trasparenti e colorati
Alcuni valori tipici di cristalli riflettenti e basso emissivi dotati di intercapedine
Momenti storici salienti nello sviluppo del vetro 5000 AC - I fenici scoprono, accidentalmente, il vetro dalla fusione di blocchi di nitrato su supporto sabbioso (fiume Belo in Siria) 3000 AC In Mesopotamia viene prodotta la Vetrina (sostanza opaca e colorata) con cui si rivestono gli oggetti (Invetriatura) 100 AC In Palestina inizia la Lavorazione del vetro per Soffiatura 100 AC I Romani iniziano a produrre le prime superfici vetrate curve (Terme di Agrippina) 500 DC Inizio del processo di Soffiaggio di sfera per vetro piano 900 DC Nascita delle vetrerie di Venezia 1200 DC Inizio del processo di Soffiaggio di cilindri (vetro piano) 1291 DC Decreto del Maggior Consiglio Trasferimento a Murano dei forni 1665 DC Nascita della Saint Gobain e del processo del vetro colorato 1913 DC Introduzione del processo Fourcault (Vetro Tritato) 1920 DC Nascita della produzione per Laminazione (Saint Gobain) 1965 DC Inizio della produzione mediante sistema Float Glass (Pisa)
45 Carichi Termici Estivi L irraggiamento Solare, estremamente sensibile nelle stagioni calde, provoca una notevole variabilità del carico termico nell arco della giornata. Assume così grande importanza il concetto di INERZIA TERMICA della PARETE. Essa è legata alla MASSA FRONTALE della parete misurata in [kg/m 2 ] ed è responsabile dei fenomeni di attenuazione e sfasamento temporale dei carichi. La differenza tra Heat Gain e Cooling Load è tanto più grande quanto più è alta la massa frontale della parete. Pareti massicce attenuano il picco di carico termico da sottrarre e lo spostano avanti nel tempo verso ore in cui la temperatura esterna diminuisce ( effetto castello ). Aumentare la massa frontale della parete riduce considerevolmente la potenza di progetto dell impianto, quindi le dimensioni di ingombro di tubi e canali, inoltre facilita il comportamento in regolazione dell impianto che non deve reagire a rapide variazioni dei carichi.
46 Carichi Termici Estivi Come abbiamo visto la costante di tempo della parete in mattoni pieni è nettamente più alta. A questo corrisponde una inerzia termica molto più elevata e quindi una capacità di attenuare i carichi termici esterni e spostarne il picco avanti nel tempo, verso ore in cui la temperatura esterna potrebbe essere inferiore. Questo accade nonostante le due pareti abbiano la stessa capacità di isolamento.
47 Carichi Termici Estivi Mentre nel caso invernale la grandezza che determina le dispersioni è la trasmittanza della parete, nel calcolo estivo il parametro fondamentale è l inerzia della parete espressa dalla sua costante di tempo. Anche se le aree sottese alla due curve in figura sono uguali, per tutto l intervallo di tempo indicato i carichi istantanei sono sempre maggiori dei carichi reali da sottrarre, tanto più quanto più la costante di tempo della parete è alta. Pareti leggere m < 300 [kg/m 2 ] t circa 25 ore Pareti medie 300 < m < 500 [kg/m 2 ] t circa 60 ore Pareti Pesanti m > 500 [kg/m 2 ] t circa 120 ore
Quando la facciata, o il tetto, di un edificio è sottoposto ad un irraggiamento solare diretto la temperatura di riferimento esterna non può essere quella dell aria in quanto la parete risulta riscaldata sensibilmente dalla radiazione solare. Viene così introdotta una temperatura di riferimento, T sol-air, detta temperatura solare fittizia. T i Irraggiamento diretto su pareti opache T e T s q s Sole α s = 0,45 per pareti chiare α s = 0,90 per pareti scure Q conv+rad. = α e A ( T e T s ) ε A σ T 4 4 ( e T surr. ) Q s = K A ( T sol air T i ) Q s = α e A T e T s ( ) ( ) + α s A q s ε A σ T 4 4 e T surr ( ) = α e A T sol air T s T sol air = T e + α s q s α e ( ) ε σ T 4 e T 4 surr α e α e = Coefficiente Liminare esterno α s = Coefficiente Assorbimento parete σ = Costante di Stefan-Boltzman T surr = Temperatura ambiente circostante T e = Temperatura aria esterna T s = Temperatura superficie esterna della parete A = Superficie della parete q s = Flusso solare radiante K = Trasmittanza della parete
49 Irraggiamento diretto su pareti opache La temperatura Solare fittizia dipende dalla latitudine, dal mese dell anno, dall ora del giorno, dalla temperatura dell aria esterna, dall escursione termica giornaliera e dall esposizione. I suoi valori sono riportati in tabelle o determinabili mediante diagrammi. Dalla differenza di temperatura (Te -Ti) dipende direttamente il carico termico. Parete L: Leggera M:Media P: Pesante Per come è definita la Te essa è variabile nel tempo in funzione delle variazioni di flusso termico solare. Il carico termico associato a tale temperatura è perciò variabile nei mesi della stagione estiva e con l ora del giorno. L effetto dell inerzia della parete può tuttavia modificare tale variazione. Se la parete fosse ad altissima inerzia (caso P) la Te potrebbe essere ritenuta costante pari alla media giornaliera, così il carico termico assumerebbe un valore medio giornaliero. Se la parete fosse a bassissima inerzia la Te varierebbe esattamente come il flusso termico solare esterno. Nei casi intermedi la temperatura solare fittizia varia nel tempo ma in modo più smorzato ed in ritardo rispetto alla variazione del flusso solare. Per determinare il carico termico reale che l impianto deve eliminare, la differenza di temperatura (Te - Ti) viene corretta ora per ora in funzione dell inerzia termica della parete. Si definisce così la differenza di temperatura equivalente (Te -Ti)* detta: COOLING LOAD TEMPERATURE DIFFERENCE
Sistemi Solari I sistemi solari possono suddividersi in: - SISTEMI SOLARI ATTIVI sfruttano l energia solare con l ausilio di sistemi meccanici (richiedono un contributo energetico esterno, spesso energia elettrica necessaria a raccogliere o trasportare il calore); - SISTEMI SOLARI PASSIVI Il termine Passivo sta ad indicare che l apporto solare viene utilizzato senza l aiuto di sistemi ausiliari di ventilazione, o più in generale senza l intervento di fluidi termovettori mossi artificialmente; in caso contrario il sistema viene chiamato Ibrido. Generalmente sono i componenti edilizi (muri, solai, finestre, tetti, ecc.) che captano ed accumulano l energia termica e la distribuiscono all interno della struttura.
Sistemi Solari Passivi I sistemi solari passivi considerano l edificio come un tutto organico con il luogo nel quale esso sorge, con le sue condizioni climatiche, le caratteristiche vegetazionali e geologiche. I singoli elementi dell edificio (murature esterne ed interne, copertura e solai, finestre) collaborano al raggiungimento del comfort termico e del benessere degli abitanti, sfruttando la fonte di energia gratuita per eccellenza: il sole. Così l involucro della costruzione, anziché essere considerato solo come un semplice elemento di protezione, ha la funzione di mediare le condizioni climatiche esterne, in riferimento sia alle oscillazioni giornaliere che a quelle stagionali, e di sfruttarle al fine di portare gli ambienti interni al livello di benessere termico: in altre parole, l edificio nel suo complesso è il sistema passivo. In quest ottica diventano fondamentali alcune scelte progettuali quali quelle relative: Ø posizionamento ed orientamento del fabbricato Ø distribuzione degli spazi interni Ø materiali da usare Ø forma e posizione delle superfici vetrate e delle murature Ø tipo di copertura Ø progettazione degli spazi esterni Ø pavimentazioni e zone a verde Ø alberature ed eventuali specchi d acqua
Sistemi Solari Passivi Alle nostre latitudini il sole fornisce su un piano orizzontale, durante la stagione di riscaldamento (Ottobre-Marzo), un irradianza media di circa 100 [W/m 2 ]; se tale potenza radiante venisse utilizzata per il riscaldamento, ben 2 [kwh/m 2 ] di energia termica potrebbero essere utilizzati dall edificio come risorsa gratuita. L edificio può captare l energia solare mediante due diverse modalità: ü lasciando passare la radiazione solare al suo interno, mediante una superficie vetrata (Sistema Solare Passivo Diretto); ü utilizzando il riscaldamento di una superficie opaca interposta fra la radiazione solare e l ambiente interno (Sistema Solare Passivo Indiretto); ü utilizzando un accumulatore di calore separato (Sistema Solare Passivo Isolato). Ogni sistema solare passivo è composto da 3 elementi fondamentali: ü Lo Spazio da riscaldare, costituito dall ambiente dell edificio abitato; ü Il Collettore della radiazione solare, ossia una superficie trasparente e da una superficie opaca che funge da Assorbitore; ü Un Sistema di Accumulo del calore, formato da elementi ad elevata inerzia termica, gli stessi pavimenti, o le pareti verticali, se adeguatamente progettate possono svolgere tale funzione. Angle Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Year Ave. Heat Ave. 0 75.7 110.8 158.3 207.3 250.3 274.5 269.7 231.7 180.9 126.5 77.4 61.8 168.8 101.8 Irradianza Media su Piano Orizzontale [W/mq] - Università G.D Annunzio
Sistemi a guadagno diretto Il sistema a guadagno diretto è il più semplice ed è costituito da un edificio ben isolato con ampie finestre rivolte a sud. Le finestre permettono la trasmissione della radiazione solare invernale, incidente con bassa angolazione (max ~30 ). In estate l'elevata altezza del sole (max ~75 ) riduce l'insolazione trasmessa, mentre un aggetto può anche escluderla completamente. L'edificio necessita di una massa termica per accumulare il calore durante il giorno e riemmetterlo durante la notte. Questa massa termica è generalmente costituita da pareti in muratura isolate esternamente e/o da un pavimento massivo con isolamento perimetrale o nell'estradosso. La radiazione solare colpisce direttamente la massa termica e l'energia viene accumulata, riducendo così le fluttuazioni di temperatura dell'aria interna. Il concetto di guadagno diretto è la soluzione più comune per un edificio solare passivo. La radiazione solare entra nello spazio abitato e cade sulla massa dell'accumulo termico. In questo modo lo spazio abitato, avendo raccolto ed accumulato l'energia solare, si comporta come un collettore.
Vantaggi: Sistemi a guadagno diretto 1. E il più semplice sistema di riscaldamento solare e quindi il più facile da realizzare (in molti casi lo si ottiene semplicemente ridistribuendo le finestre); 2. L'ampia superficie vetrata permette anche di ottenere un elevato standard di illuminazione naturale assieme ad un migliore rapporto visuale con l'esterno; 3. Il materiale per le vetrate è ben conosciuto e di basso costo, oltre che facilmente reperibile; 4. Il sistema è uno dei metodi meno dispendiosi per il riscaldamento solare degli ambienti. Difetti: 1. Grandi aree vetrate possono produrre abbagliamento di giorno e una perdita di privacy di notte; 2. La radiazione ultravioletta contenuta nella radiazione solare può degradare tessuti e fotografie; 3. Per raggiungere un elevato risparmio energetico sono necessarie ampie superfici vetrate e quindi grandi masse termiche per attenuare le variazioni di temperatura: queste masse possono essere costose, soprattutto se non hanno funzioni strutturali; 4. L'isolamento notturno dell'apertura solare è sicuramente necessario per i climi più freddi e questo può risultare costoso e difficoltoso.
Sistemi a guadagno indiretto Il muro Trombe, il muro solare (o massivo), il muro d'acqua ed il tetto d'acqua sono tutti sistemi a guadagno indiretto che combinano, in alcune parti del tamponamento esterno dell'edificio, le funzioni di raccolta e accumulo della radiazione solare e di distribuzione del calore. Nei sistemi con muro Trombe e muro solare la massa termica per l'accumulo è costituita da una parete rivolta a sud, realizzata in muratura o in calcestruzzo, con la superficie esterna protetta da una vetrata per ridurre le dispersioni di calore. La differenza tra il muro solare e quello Trombe è che in quest'ultimo sono praticate aperture di aerazione, sia nella parte bassa che in quella alta della parete di accumulo, per permettere la circolazione dell'aria attraverso lo spazio riscaldato.
Muro di Trombe Il muro di Trombe prende il nome del suo progettista che nel 1967, ad Odeille in Francia, realizzò una casa che riusciva ad ottenere il 70% del suo fabbisogno termico dall energia solare. La parete di vetro è posta a circa 10-20 [cm] dalla superficie di muratura, che funge da accumulo. Quest ultima può essere dipinta con colori scuri così da accumulare più calore possibile. Benché molto efficiente il muro di Trombe deve essere opportunamente modificato per operare in estate; proprio per questo vengono predisposte delle aperture regolabili anche sulla superficie vetrata. Per un dimensionamento di massima è possibile adottare un valore di circa 0,6 [m 2 ] di superficie vetrata per ogni [m 2 ] di superficie abitata. Per quanto riguarda invece la superficie da dedicare alle aperture di ventilazione, interne e/o esterne, è possibile adottare un valore di circa 1/100 della superficie vetrata. Gli elementi richiesti dai sistemi con muro Trombe e massivo sono un'ampia superficie vetrata rivolta a sud con una massa termica di accumulo posta immediatamente al suo interno. La scelta dei materiali per l'accumulo comprende cemento, pietre e muratura di mattoni. La radiazione solare, incidente sulla parete massiva, viene assorbita producendone il riscaldamento superficiale.
Muro di Trombe e Massivo Questo calore, sotto forma di un'onda smorzata di temperatura, è trasferito per conduzione alla superficie interna del muro e da questa trasmesso all'ambiente per irraggiamento e convezione (la temperatura della faccia interna del muro è massima a notte fonda e minima all'alba). Il ritardo e lo smorzamento dell'onda di temperatura, durante questo trasferimento, dipendono dal materiale scelto per l'accumulo: il tempo di ritardo è ad esempio di circa 18 minuti per ogni centimetro di cemento. Il muro trombe permette inoltre di distribuire il calore, in modo più veloce, mediante la convezione naturale: il volume d'aria nell'intercapedine tra vetrata e massa termica può raggiungere temperature abbastanza elevate, in una giornata serena [60 C]. Per mezzo delle aperture di aerazione alla base e nella parte alta della massa d'accumulo, l'aria calda può salire ed entrare nell'ambiente, richiamando l'aria più fredda della stanza all'interno del collettore attraverso le aperture della parte bassa. Le aperture dovrebbero essere controllate a mezzo di serrande per impedire la circolazione inversa durante la notte. In estate può essere impedito il riscaldamento della massa d'accumulo tramite aggetti, isolamenti mobili o mediante aperture di aerazione in comunicazione con l'esterno. Per certi climi il muro Trombe può essere usato in estate come camino solare: in questo modo il movimento continuo dell'aria sottrae calore all'edificio, richiamando aria più fredda, ad esempio dal lato nord, per la ventilazione.
Vantaggi: Muro di Trombe e Massivo 1. Abbigliamento, privacy e degradazione ultravioletta dei tessuti non sono un problema; 2. Le fluttuazioni di temperatura nello spazio abitato sono più basse rispetto a quelle di un sistema a guadagno diretto; 3. Il ritardo nel tempo tra assorbimento dell'energia solare e rilascio nell'ambiente dell'energia termica può essere utile per integrare disponibilità energetica e modelli occupazionali; 4. Il comportamento di un muro d'accumulo termico è sufficientemente conosciuto. Difetti: 1. La superficie esterna del muro massivo è relativamente calda (poiché la trasmissione dell'energia attraverso il muro è lenta) e sente la vicinanza del clima esterno: ciò porta a considerevoli perdite di calore e quindi di efficienza; 2. Sono richieste due pareti rivolte a sud, una vetrata e l'altra massiva, con le ovvie penalizzazioni in termini di costo e spazio impegnato; 3. La necessità di una sufficiente massa termica deve essere mediata con i requisiti di visibilità e di illuminazione naturale dell'ambiente interno; 4. Disagi possono essere prodotti, all'inizio e alla fine della stagione del riscaldamento, dal surriscaldamento dell'aria (nel caso del muro Trombe) durante il giorno o da una radiazione termica incontrollata proveniente dalla superficie interna del muro, durante le serate calde. Questi problemi possono essere controllati mediante la ventilazione; 5. Il progetto del muro Trombe deve consentire l'accesso per la pulizia della superficie vetrata; 6. La condensa sulla superficie vetrata può essere un problema; 7. Nei climi freddi, a metà inverno, quando la radiazione solare non è sufficiente per riscaldare il muro, la massa di questi sistemi può trasformarsi in un carico termico.