Prof. Arch. Gianfranco Cellai
La strategia del controllo dei consumi energetici Si configura una azione a tridente per una efficace, duratura e progressiva limitazione dei consumi di energia nel settore edilizio Controllo dei carichi termici estivi e invernali limitando gli scambi termici Aumento dei rendimenti degli impianti Obbligo dell uso di fonti rinnovabili d energia limitazione potenza degli impianti limitazione dei consumi energetici Minore inquinamento e edifici nzeb DM 26.06.09 Linee Guida per la Certificazione energetica, definizione delle metodologie, criteri e requisiti minimi di edifici e impianti relativamente alla: - climatizzazione invernale ( D.Lgs 192/2005 e s.m.i) - preparazione di acqua calda per usi sanitari (DPR n 59/2009); - climatizzazione estiva e illuminazione (DPR n 59/2009); - uso di fonti rinnovabili (D.lgs n 28/2011).
UNI/TS 11300 1 Le prestazioni energetiche del Progetto edilizio Per ogni zona dell edificio e per ogni mese si calcola il fabbisogno di energia: Inverno Q H = (Q H,tr + Q H,ve ) η H (Q int + Q sol ) Estate Q C = (Q int + Q sol ) η C (Q Ctr + Q Cve ) (MJ) (MJ) Q H fabbisogno di energia dell edificio per riscaldamento; Q C fabbisogno di energia dell edificio per raffrescamento; Q H,tr scambio termico per trasmissione nel caso di riscaldamento; Q C,tr scambio termico per trasmissione nel caso di raffrescamento; Q H,ve scambio termico per ventilazione nel caso di riscaldamento; Q C,ve scambio termico per ventilazione nel caso di raffrescamento; Q int apporti termici interni (estivi o invernali); Q sol apporti termici solari; η H fattore di utilizzazione degli apporti termici invernali (parametro dinamico); η C fattore di utilizzazione delle dispersioni termiche estive (parametro dinamico) NB η H e η C aumentano all aumentare dell inerzia termica della costruzione
Il progetto architettonico Le strategie progettuali alla base del progetto architettonico devono essere finalizzate primariamente al controllo dei carichi termici in inverno ridurre le dispersioni Q H,tr + Q H,ve e massimizzare gli apporti solari Q sol in estate ridurre gli apporti solari Q sol e aumentare le dispersioni Q Ctr + Q Cve EDIFICIO BRE - Garston (Regno Unito) Feilden Clegg Architects Aula Liturgica Padre Pio - San Giovanni Rotondo Progetto architettonico: Arch. Renzo Piano Progetto del verde: arch. Enzo Paoli
I requisiti termici estivi in relazione all irraggiamento solare: pareti e finestre esposte all irraggiamento da est a ovest Efficacia delle schermature o vetri con g 0,5 La massa superficiale M (kg/m²) della parete opaca esclusi gli intonaci deve essere 230 kg/m² Oppure si verifica che la trasmittanza termica periodica Y IE 0,12 W/m 2 K per strutture verticali Y IE 0,20 W/m 2 K per strutture orizzontali o inclinate Copertura su locali abitati M 230 kg/m² M 230 kg/m² Y IE 0,20 W/m 2 K Y IE 0,12 W/m 2 K
Schermature Foto Arch. G. Aliperta
Valori limite della trasmittanza termica U delle strutture orizzontali o inclinate e dei serramenti Valori limite della trasmittanza termica U W/(m 2 K) delle strutture opache e trasparenti dell involucro edilizio Per i soli vetri NB. I valori di U devono essere rispettati a ponte termico corretto, o in alternativa dalla trasmittanza termica media della parete corrente più ponte termico. I valori di tabella aumentati del 15% costituiscono il valore limite dei ponti termici corretti
Evoluzione tecnologica dei serramenti Prestazione termica di finestre, porte e chiusure Calcolo della trasmittanza termica - Metodo semplificato UNI EN ISO 10077-1:2002 Dal produttore Vetri doppi senza trattamento Ug 3,3 Vetri tripli trattati gas Kripton Ug 0,5 Dal produttore Telai in legno U f 2,2 Telai metallici a taglio termico U f 2,7 3,0 l g = perimetro totale della vetrata A g = area della vetrata A f = area del telaio A w = A g + A f Dal produttore Telai in legno ψ g 0,05 Telai metallici a taglio termico ψ g 0,07 Telaio con taglio termico (listelli di poliammide) Tenuta all aria dei serramenti UNI EN 12207 A f
Controllo dei Carichi termici estivi: il ruolo dei serramenti Dal punto di vista del progettista si possono seguire alcune regole pratiche: - le superfici trasparenti irraggiate dal sole siano il più schermate possibile; - si utilizzino vetri con fattore solare g 0,5; - il rapporto tra la superficie trasparente complessiva dell'edificio e la sua superficie utile sia possibilmente S serr /A pav 0,18; - si adottino soluzioni a elevata inerzia termica (massa o YIE elevati); - si sfrutti la ventilazione naturale ai fini del raffrescamento. Nella fase del progetto preliminare diventa essenziale lo studio dell irraggiamento assistito da software di calcolo dinamici in grado di valutare in tempo reale gli effetti del clima sul progetto e conseguentemente aiutare il progettista nella ricerca delle soluzioni ottimali.
Dati climatici: UNI 10349 Questa tabella è utile al fine di valutare immediatamente i rapporti tra progetto e irradiazione solare in funzione dell esposizione alla ns. latitudine. Ad esempio il valore massimo in assoluto si ha alle ore 8.00 e alle 16.00 rispettivamente per esposizione est ed ovest. Mentre alle ore 12.00 il valore è massimo solo per superfici esposte a sud ed orizzontali.
Apporti solari sui vetri - UNI TS 11300-1 L'area di captazione solare effettiva di un componente vetrato è calcolata con la seguente formula: A sol = F sh,gl x g gl x (1 - F F ) x A w,p (m 2 ) dove: F sh,gl fattore di riduzione degli apporti solari relativo a schermature mobili quali tende, veneziane, tessuti; di norma si trascura. g gl è la trasmittanza di energia solare della parte trasparente del componente (es. vetrata antisolare riflettente g gl = 0,22); F F è la frazione di area finestrata relativa al telaio (varia dal 20 al 30% di A w,p ); A w,p è l'area del vano finestra (m 2 ).
Irraggiamento solare: energia e luce A livello del suolo il 99% dell energia solare è emessa nello spettro tra 0,3 e 2,5 µm Il campo del visibile si estende tra 0,4 e 0,8 µm ovvero tra il viola ed il rosso con un massimo nel giallo-verde a 0,55 µm Campo del visibile
Comportamento dei vetri nei confronti dell irraggiamento : Grandezze spettrofotometriche ed energetiche τ v = trasmissione luminosa R a = indice di resa cromatica vs. qualità della luce g = trasmissione energetica Il vetro comune fa passare inalterati energia e luce: i vetri trattati alterano tale comportamento.
Indice di resa cromatica Ra La buona resa dei colori da parte di un vetro è condizionata dallo spettro di trasmissione della luce, ovvero quanto lo stesso è più simile alla luce diurna perché l occhio è adattato a tale spettro avendo il massimo della sensibilità a 0,55 µm. Ad esempio le lampade ad incandescenza sono migliori delle lampade a scarica che danno invece luogo a numerose alterazioni dei colori. Lo stesso vale per i vetri: quelli comuni chiari hanno il massimo valore di Ra 98. La CIE ha definito l indice di resa cromatica dei colori Ra che raffronta la resa cromatica di una lampada qualsiasi con quella della luce diurna presa come campione avendo indice Ra = 100 (massimo). La norma UNI 10380 ha classificato le lampade in gruppi in funzione dell indice di resa Ra
Esempio di resa cromatica Come appare alla luce del giorno (Ra = 100) Come appare con una lampada al sodio a bassa pressione ricca di giallo (Ra < 20) L alterazione della resa cromatica Ra ha pertanto effetti sulla percezione dei colori mentre l alterazione di τ v ha effetti sulla quantità di luce che il vetro fa passare nello spettro del visibile. In architettura la conoscenza di questi aspetti progettuali è determinante nelle scelte dei vetri.
Il controllo dell irraggiamento solare g mediante i vetri: alterazione di τ v e Ra τ λ, ρ λ 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 CAMPO DEL VISIBILE INFRAROSSO τ v = 72,3 % g = 39,3 % Ra = 91 Trasmissione Riflessione τ v = 90,0 % g = 85,0 % Ra = 98 0.3 0.34 0.38 0.44 0.52 0.6 0.68 0.76 0.84 0.92 1 1.4 1.8 2.2 λ(µm) Vetro verde di 6 mm con coating selettivo - Andamento spettrale τ λ e ρ λ
Le persone apprezzano l illuminazione naturale attraverso vetri che non alterano la percezione dei colori delle superfici e dell arredo. Per questo dobbiamo avere l indice Ra 80, con valori consigliati Ra 90 per una maggiore fedeltà dei colori. Ciò rappresenta un problema quando si vuole controllare la trasmissione solare g mediante il trattamento cromatico dei vetri in quanto inevitabilmente si riduce il valore di τ v e talvolta di Ra.
Il fattore di luce diurna e τ v Rapporto fra il livello di illuminamento in un punto posto all interno del locale (E int ) e il livello di illuminamento in un punto all esterno in assenza di ostruzioni e di irraggiamento solare diretto (E 0 ) Con vetri trattati diventa E A FLD = int f τ ε ψ impossibile rispettare il 100 (%) FLDm = E ( ) limite di legge e 0 Atot 1 rm pertanto si usano valori standard. E 0 E int A f è l area della superficie della finestra, escluso il telaio; τ è il fattore di trasmissione luminosa del vetro; ε è il fattore finestra dipendente dalle ostruzioni della volta celeste A tot è l area totale delle superfici che delimitano l ambiente; r m è il fattore medio di riflessione delle superfici dell ambiente. ψ è il fattore di riduzione del fattore finestra. Ambienti residenziali (D.M. 5/7/75) Locali di abitazione: 2% (inoltre la superficie finestrata apribile non deve essere inferiore a 1/8 della superficie del pavimento) Ambienti ospedalieri (Circ. 13011 22/11/74) Ambienti di degenza, diagnostica, laboratori: 3% Ambienti scolastici (D.M. 18/12/75) Ambienti ad uso didattico (aule per lezione, studio, lettura, disegno ecc.): 3%
τ λ 0.25 0,08 < τ v < 0,13 0,099 < g < 0,11 65 < Ra < 97 0.20 0.15 0.10 0.05 Blu Ra 66 Bronzo Ra 94 Oro Ra 97 Grigio Ra 86 verde Ra 65 nero Ra 51 0.00 380 395 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 λ(µm)
τ λ 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0,43 < τ v < 0,73 0,37 < g < 0,48 82< Ra < 98 Bronzo Ra 94 Grigio Ra 95 Verde Ra 88 Blu Ra 82 Chiaro Ra 98 0.00 380 395 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 λ(µm)
τ λ 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0,51 < τ v < 0,72 0,33 < g < 0,39 81< Ra < 95 acquamarina Ra 81 bronzo Ra 93 verde Ra 91 grigio Ra 91 blu Ra 86 chiaro Ra 98 0 380 395 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 λ(µm)
Assenza di schermature: la limitazione dell apporto energetico e luminoso Vetrata antisolare riflettente τ v = 18 % g = 22 % SC = g/0,87 = 25 % U g = 2,4 W/m²K Trattamento in faccia 2
La limitazione dell apporto energetico e luminoso: vetri selettivi Vetrata selettiva antisolare basso-emissiva e riflettente τ v = 33 % g = 30 % SC = 34 % U g = 1,3 W/m²K Trattamento in faccia 2 e 3
La limitazione dell apporto energetico e luminoso: vetri selettivi Vetrata selettiva antisolare bassoemissiva τ v = 49 % g = 36 % SC = 41 % Trattamento in faccia 2 Ug = 1,4 W/m²K
Alterazione della luce: i filtri http://www.leefilters.com/index.php/ Se volessimo alterare i colori delle superfici trattando i vetri si possono vedere effetti analoghi a quello che succede con l applicazione di filtri alle lampade. L uso dei filtri consente di correggere la luce trasmessa creando uno spettro di luce simile a quello che sarebbe emesso da una sorgente luminosa diversa dal sole.
Il controllo della luce mediante filtri ottici