Irraggiamento solare (1) Trasmissione del Calore - 53 A causa: dell ellitticità dell orbita terrestre e dell inclinazione dell asse di rotazione rispetto al piano dell orbita (circa 23,5 ) si ha che l energia radiante proveniente dal Sole non può raggiungere tutte le zone terrestri con la stessa intensità. L Italia è posizionata nell emisfero Nord (e Orientale), come tale si troverà: in Estate, quando il sole è sul Tropico del Cancro, ed in Inverno, quando il sole è sul Tropico del Capricorno. Poiché i Tropici sono a 23,5 di latitudine, il sole, durante i periodi estivi, è ad essi ortogonale. A Dicembre, nell emisfero Nord, il Polo Nord è inclinato di 23,5 in direzione opposta del Sole; ciò fa si che la minore quantità di radiazioni solari incidenti provochi una minore temperatura ed una breve durata del giorno. Via via che la Terra compie la sua orbita solare il Polo Nord inizia ad inclinarsi verso il Sole e si ha che, all Equinozio di primavera, giorno e notte avranno la stessa durata. L energia radiante seguita ad aumentare fino al Solstizio d estate (21 Giugno) dove il Sole raggiunge la sua massima altezza sull orizzonte, ossia è perpendicolare al Tropico del Cancro.
Irraggiamento solare (2) Trasmissione del Calore - 54 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. 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 µm), il 39% nella regione del Visibile (fra 0,40 e 0,70 µm) ed il restante 52% nella regione dell Infrarosso Vicino (fra 0,70 e 3,5 µm); il picco di radiazione si ha a 0,48 µm, 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.
Trasmissione del Calore - 55 Irraggiamento diretto su pareti opache 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 s q s Sole ( ) Q + = α A T T conv rad. e e s 4 4 ( ) ( ) Q = α A T T + α A q ε A σ T T s e e s s s e surr ( ) = α A T T e sol air s T α q s s sol air = Te + αe 4 4 ( Te Tsurr ) ε σ α e T i T e α s = 0,45 per pareti chiare α s = 0,90 per pareti scure 4 4 ( e surr. ) ε A σ T T ( ) Q = K A T T s sol air i α e α s σ T surr T e T s A q s K = Coefficiente Liminare esterno = Coefficiente Assorbimento parete = Costante di Stefan-Boltzman = Temperatura ambiente circostante = Temperatura aria esterna = Temperatura superficie esterna della parete = Superficie della parete = Flusso solare radiante = Trasmittanza della parete
Radiazione Solare Incidente ad una Latitudine di 40 Trasmissione del Calore - 56 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
Superfici Vetrate Trasmissione del Calore - 57 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 a 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 diventa un carico termico da dover smaltire, ad esempio mediante l impianto di climatizzazione. A quanto finora detto si aggiunge un fenomeno ulteriore che deriva dalla porzione di energia solare che è stata assorbita dal vetro, e che lo stesso reintroduce verso gli ambienti esterno ed interno, grazie anche alla buona emissività che lo stesso presenta nella banda dell Infrarosso. 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.
Trasmissione del Calore - 58 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. radiazione solare che attraversa il vetro SHGC = = τ + f α radiazione solare incidente s i 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 = SHGC A q solare vetro 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
Trasmissione del Calore - 59 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). SHGC SHGC SC = = = 1,15 SHGC SHGC 0,87 rif 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. 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 52,4 417,6 349,2 169,4 349,2 417,6 744,7 Lug, Mag 46,4 399,0 515,0 393,2 216,9 393,2 515,0 399,0 732,0 Ag, Apr 33,6 320,1 458,2 320,2 458,2 320,1 672,8 Set, Mar 27,8 182,1 468,6 439,6 468,6 182,1 575,4 Ott, Feb 22,0 109,0 328,8 512,7 512,7 382,8 109,0 404,8 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 Trasmissione del Calore - 60 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 = K A ( T T ) + Q = K A ( T T ) + 0,87 SC A q tot finestra e i solare finestra e i 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 E ragionevole usufruire dell apporto termico solare; ciò permette di ridurre la potenza termica da riscaldamento tradizionale. Per poter permettere 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. Poiché, però, le pareti interne, scaldandosi reirraggeranno verso il vetro, 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. Superfici vetrate in climi freddi Trasmissione del Calore - 61 In 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; onde 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. Superfici vetrate in climi caldi
Trasmittanza termica di una superficie vetrata Trasmissione del Calore - 62 Termografia di una finestra esposta alla radiazione solare Zona di contorno del vetro Zona centrale del vetro Zona dell infisso 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. K f Trasmittanza di una finestra K f A f = Trasmittanza ed area della finestra K A + K A + K A = A inf inf cv.. cv.. bv.. bv.. f 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 confine del vetro K inf A inf = Trasmittanza ed area dell infisso
Trasmissione del Calore - 63 Trasmittanza termica della zona centrale del vetro K cv.. α = 34 e e i = α = 22,7 α = 8,29 1 1 L 1 gas, e presenta in genere una + + K cv.. α λ α i 2 [ W / m K ] in 2 [ W / m K ] 2 [ W / m K ] in e Inverno Estate 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 trasmittanza molto piccola, è possibile trascurare la trasmittanza dei due vetri nel calcolo della trasmittanza totale del sistema. = 1 1 1 1 + + α h α i gap e hgap = hconv + hrad