Sistemi solari attivi e passivi

La progettazione di questi edifici "energeticamente intelligenti" può essere eseguita seguendo fondamentalmente due vie tra loro compatibili:

• la progettazione secondo criteri bioclimatici (sistemi solari passivi): nei sistemi passivi l’edificio stesso, attraverso i suoi elementi costruttivi, capta, accumula e trasporta al suo interno l’energia ricavata da fonti rinnovabili;

• l'integrazione alle strutture edilizie dei sistemi solari attivi: i sistemi attivi captano, accumulano e utilizzano l’energia proveniente da fonti rinnovabili con una tecnologia di tipo impiantistico.

Sistemi solari passivi

I sistemi solari passivi sono tecnologie applicate al costruito impiegate al fine di regolare gli scambi termici tra esterno ed interno dell’edificio facendo uso della radiazione solare come fonte energetica e sfruttando, come elementi captanti e d’accumulo componenti edilizi sia d’involucro che interni.

Essenziali nei sistemi solari passivi sono gli elementi destinati alla captazione solare, detti collettori, prevalentemente collocati sull’involucro edilizio in parti ben esposte alla radiazione solare (fronti a sud e coperture); sono costituiti da superfici trasparenti e da assorbitori consistenti in superfici opache e scure che, esposte alla radiazione solare che penetra dalla superficie trasparente, la convertono in calore. Talvolta il sistema solare passivo può essere dotato di masse di accumulo, elementi dotati di grande inerzia termica e deputati ad immagazzinare calore e a ricederlo in assenza di sole, prolungando il funzionamento dei sistemi solari passivi. Parti indispensabili i componenti di controllo, destinati a regolare il funzionamento dei sistemi solari passivi nel ciclo giornaliero (giorno/notte) e stagionale.

I sistemi solari passivi di norma vengono divisi in tre categorie di sistemi: • a guadagno diretto;

• a guadagno indiretto; • a guadagno separato.

Sistemi a guadagno diretto

Sono sistemi a guadagno diretto tutti gli elementi vetrati dell’involucro edilizio in quanto lasciano che la radiazione solare entri direttamente nello spazio da riscaldare e si converta in calore.

Per il trarre il beneficio voluto da detti sistemi è necessario che siano presenti tre unità fondamentali, rispondenti alle esigenze di convogliare, accumulare e trasferire l’energia termica associata alla radiazione solare.

Nei sistemi a guadagno diretto, solitamente, la captazione dell’energia è affidata alle superfici trasparenti dell’involucro edilizio (vetrate); l’energia è poi trattenuta da materiali ad elevata inerzia termica (accumulo) e dagli stessi ridistribuita, soprattutto per irraggiamento.

L’edificio deve essere dotato di aperture orientate verso il sole e fortemente coibentato nelle zone non esposte. Con questo sistema solo gli ambienti direttamente interessati si giovano dell'apporto energetico solare, a meno che non vengano messi in diretta comunicazione con gli altri spazi dell'abitazione. È essenziale prevedere l’apertura diffusa degli ambienti vetrati e la loro schermatura per regolare la radiazione quando indesiderata. La forma più semplice di sistema a guadagno solare diretto è la finestra. Negli ultimi decenni la ricerca tecnologica nel settore degli infissi ha conseguito importanti risultati cosicché la lastra di vetro diventa la base su cui applicare una serie di prodotti sempre più sofisticati che ne modificano il comportamento in modo da migliorarne la prestazione energetica. È noto infatti come gli infissi contribuiscono in misura rilevante alla prestazione globale dell’edificio, nonostante nella maggior parte dei casi costituiscano soltanto una ridotta porzione dell’involucro.

Ecco allora che le lastre vengono ricoperte di ossidi o di metalli affinché permettano, in inverno, di non fare disperdere il calore dall'interno degli edifici e, durante la stagione estiva, di riflettere la parte infrarossa dei raggi solari, riducendo così la necessità di condizionare gli ambienti.

Sfruttando tutte queste possibilità, nel 1981, un architetto inglese, Mike Davies, propose la "vetrata intelligente", in grado di controllare il flusso di energia in entrata e in uscita attraverso particolari strati funzionali in modo tale da ridurre il consumo energetico.

Esempio per eccellenza di sistema a guadagno diretto è la serra solare.

Una serra è un volume edilizio chiuso da pareti trasparenti contiguo agli spazi abitati. Per orientare la serra in maniera efficace si devono osservare alcune regole:

• la serra deve essere orientata verso Sud, con una tolleranza di 30/40 gradi;

• sono assolutamente da evitare gli orientamenti Est ed Ovest che provocherebbero surriscaldamenti difficili da controllare ed eliminare;

• una esposizione a Nord non pone, ovviamente, problemi di surriscaldamento, ma riceve nei mesi invernali radiazioni solari in quantità molto modesta.

All’interno della serra può essere collocata una massa di accumulo come volano.

Alle nostre latitudini, dove l’irraggiamento solare è benefico in inverno ma estremamente dannoso nella stagione estiva, le serre solari devono essere ventilabili, in modo che l’aria calda che si forma all’interno della serra possa essere espulsa se indesiderata, e devono essere combinate con adeguati sistemi di schermatura che impediscano la penetrazione dei raggi solari all’interno degli ambienti quando indesiderati. Di conseguenza, la struttura della serra deve consentire un’accentuata variabilità di assetto per rispondere alle esigenze stagionali.

Per evitare il surriscaldamento della serra nel periodo estivo, spesso si ricorre all’ombreggiatura con essenze caducifoglie (spoglie d’inverno, frondose d’estate).

Sistemi a guadagno indiretto

Nei sistemi a guadagno solare indiretto, il collettore, che fa parte dell'involucro, non permette alla radiazione solare di raggiungere direttamente lo spazio interno ma la intercetta prima, per accumulare il calore e restituirlo lentamente, con un ritardo di alcune ore dipendente dai materiali utilizzati e dallo spessore dell'assorbitore.

Tra essi si annoverano: • le facciate ventilate:

sono sistemi di rivestimento dell’edificio la cui caratteristica distintiva è la loro applicazione ad una certa distanza dalle pareti in modo da creare un’intercapedine d’aria che, mossa da naturali moti convettivi, genera una ventilazione con effetti benefici sulla struttura retrostante e sull’ambiente interno.

Sono soluzioni costruttive multistrato che consentono l'installazione a "secco" degli elementi di rivestimento.

Dall’esterno verso l’interno sono composte da:

- un paramento esterno solitamente composto da lastre ceramiche o metalliche;

- una camera d’aria;

- una struttura metallica portante.

Questo metodo riesce a coniugare due aspetti normalmente in contrasto tra loro: la tenuta all’acqua meteorica e la traspirabilità al vapore della parete stessa.

Nella stagione invernale la facciata ventilata mantiene elevata la temperatura superficiale interna (prossima a quella dell’aria all’interno dei locali), evitando la formazione di condensa superficiale e la sgradevole sensazione indotta dalla bassa temperatura radiante dalle pareti.

Nel periodo estivo, invece, l’effetto camino innescato dall’innalzamento della temperatura nell’intercapedine a causa dell’irraggiamento solare, riduce la quantità di calore entrante nell’edificio. È possibile, inoltre, aumentare l’effetto di barriera al calore radiante, utilizzando colori chiari nel rivestimento esterno e ottenendo così una parziale riflessione della radiazione solare da parte del rivestimento.

Degno di nota, inoltre, è l’incremento del potere fonoisolante di facciata, dovuto alla combinazione dello strato isolante con l’aria dell’intercapedine.

• il muro di Trombe:

è costituito da un muro di accumulo dotato di forte massa (laterizi, pietra o cls), che può avere anche funzione strutturale, e da una vetrata, posti ad una distanza di 8 – 15 cm tra di loro. Per aumentare l’efficienza del sistema solitamente si predilige una esposizione a sud ed è opportuno scegliere per la parete captante un materiale di elevate capacità termiche, che possa funzionare da buon volano termico nell’arco delle ventiquattrore, e usare un colore molto scuro sulla stessa in modo da migliorarne la capacità di assorbimento (è essenziale un elevato valore del coefficiente di assorbimento).

L’energia termica che incide sulla vetrata viene catturata nella camera d’aria e provoca un innalzamento della temperatura del muro. Il calore accumulato sulla parete viene poi ceduto all’ambiente interno per irraggiamento. Una variante di questo sistema è l’inserimento sulla parte inferiore e superiore della parete captante di griglie di aerazione che nei momenti di maggiore calore (giornate molto assolate e non molto fredde) per convezione trasferiscano l’aria presente nell’intercapedine direttamente nell’ambiente interno. Durante la notte le griglie devono invece restare chiuse per evitare la dispersione del calore accumulato dalle pareti.

Questo sistema può funzionare anche nel periodo estivo: praticando delle aperture nella parte inferiore e superiore anche della parete vetrata, si creano dei moti convettivi tali che l’aria calda dell’ambiente interno viene attirata all’interno dell’intercapedine per effetto camino, viene espulsa attraverso le griglie presenti sulla superficie trasparente.

• i sistemi ad accumulo:

- Sistemi ad acqua: costituiti da una parete trasparente realizzata con due lastre di spessore 10 mm separate da un’intercapedine da 100 mm riempita d’acqua; esternamente una tapparella riduce, all’occorrenza la radiazione solare e la trasmissione del calore verso l’esterno durante la notte.

- Sistemi a cambiamento di fase: in generale, i materiali che subiscono un cambiamento di fase assorbono calore quando fondono e lo rilasciano quando solidificano. Per alcuni materiali inorganici (sali idrati, solfato di sodio o di calcio) o organici (paraffine) questo fenomeno avviene in un ristretto intervallo di temperatura detto "intervallo di fusione", entro cui, peraltro detti materiali presentano il più alto valore della capacità termica.

• roof pond:

si tratta di sistemi costituiti 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.

Viceversa, di notte, i contenitori vengono scoperti e rilasciano all’esterno il calore accumulato.

Sistemi a guadagno isolato

In un sistema a guadagno isolato, il collettore solare è termicamente isolato dagli ambienti dell'edificio.

Nei sistemi passivi il trasferimento di energia dal collettore all'ambiente (o dal collettore all'accumulo e dall'accumulo all'ambiente) avviene solo attraverso processi non meccanici, come la convezione e l'irraggiamento.

Il più comune tra questi processi di trasferimento dell'energia è una forma particolare di convezione conosciuta come effetto termosifone: l'aria è riscaldata nel collettore, diventa meno densa e sale, richiamando aria più fredda dal basso; l'aria più calda trasferisce la sua energia all'accumulo o alla stanza ed ai suoi occupanti, si raffredda e ricade verso il basso per essere ripresa dal collettore, da cui il ciclo continua fintanto che il collettore rimane sufficientemente caldo.

Componenti di controllo: le schermature

Si tratta di efficienti sistemi di ombreggiatura esterna creati per evitare il surriscaldamento estivo.

I dispositivi più semplici sono gli aggetti ed i frangisole.

Gli aggetti orizzontali per riparare le finestrature sono fortemente raccomandati sulle facciate con orientamento sud, sud-est, e sud-ovest, dove le superfici vetrate devono essere mantenute completamente in ombra durante le ore centrali della giornata.

Per quanto riguarda invece i frangisole, nella maggior parte dei casi, si tratta di strutture a lamelle disponibili in un’amplissima gamma di soluzioni: posizionate in verticale o in orizzontale, con telai fissi o scorrevoli, con lamelle fisse o orientabili.

Il difetto principale degli schermi fissi è che l'entità della schermatura è determinata dalle stagioni solari, piuttosto che da quelle climatiche e ciò produce effetti schermanti anche in periodi in cui è richiesto un riscaldamento passivo. Gli schermi fissi presentano anche un altro svantaggio: tagliano sempre una parte della radiazione diffusa e quindi riducono l'illuminazione naturale.

I frangisole con telai scorrevoli e lamelle orientabili, invece, garantiscono la medesima riduzione del carico termico senza penalizzare il contributo delle vetrate alla componente naturale dell'illuminazione.

Talvolta lo schermo solare è realizzato mediante una struttura metallica costituita da fili e tiranti in acciaio che consente la crescita di rampicanti a foglia caduca (Parthenocissus Veitchii – vite canadese) in modo da fermare i raggi solari nei mesi caldi e lasciare invece che penetrino nella casa nei mesi invernali. L’addomesticamento del verde esterno è infatti un’altra novità funzionale che agevola il contatto con la natura potendone apprezzare da vicino i mutamenti e le metamorfosi stagionali.

Sistemi solari attivi

Si tratta di sistemi che si avvalgono di impianti tecnici di supporto per captare, convertire, trasportare e utilizzare l’energia solare.

Si dividono in due diverse categorie di prodotti a seconda dell’utilizzo:

• impianto solare termico; • impianto solare fotovoltaico.

Un collettore solare termico trasforma la radiazione solare in calore che viene utilizzato per riscaldare un fluido.

Il solare fotovoltaico è una tecnologia che permette la conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica.

E l’impianto di climatizzazione tradizionale? In questa filosofia progettuale esso non viene rifiutato ma diventa uno strumento ausiliario da far entrare in funzione solo ed esclusivamente nei casi saltuari in cui le condizioni climatiche si allontanino dallo standard per intervalli di tempo sufficientemente lunghi, tanto da non permettere più al sistema edificio di adempiere in modo soddisfacente alla propria funzione.

5. Analisi del comportamento dell’involucro edilizio in regime