CAPITOLO 4
Gli edifici energeticamente efficienti
4.1. EDIFICI ENERGETICAMENTE EFFICIENTI ED EDIFICI PASSIVI Sono considerati edifici energeticamente efficienti gli edifici a basso consumo energetico, gli edifici passivi e gli edifici a consumo energetico zero.
Un indicatore dell’efficienza energetica degli edifici è il fabbisogno energetico per metro quadrato e anno (kWh/m2a) necessario per il riscaldamento e la produzione di acqua calda. Nelle regioni climatiche caratterizzate da estati caldi sarebbe da includere anche il fabbisogno energetico per il raffrescamento estivo. Includendo inoltre il consumo energetico dell’illuminazione e degli apparecchi elettrici, otteniamo un indicatore energetico complessivo.
I consumi energetici (riscaldamento) in kWh/m2a sono:
- Edifici convenzionali non corrispondenti
alle normative sul risparmio energetico ... 220-250 - Edifici convenzionali corrispondenti alle più recenti normative 80-100 - Edifici a basso consumo energetico ... 30-50 - Edifici passivi ... < 15 - Edifici a consumo energetico zero ... 0
La maggior parte degli edifici non corrisponde alle normative sul risparmio energetico emanate dopo il 1980. C’è quindi ancora molto da fare per rendere questi edifici energeticamente efficienti.
I requisiti di un edificio energeticamente efficiente sono:
1. Orientamento: l’orientamento migliore sarebbe quello verso sud, perché consente lo sfruttamento degli apporti solari anche in inverno. Quest’orientamento non è però indispensabile come lo dimostrano molti edifici energeticamente efficienti che hanno un orientamento differente.
2. Rapporto superficie/volume: un rilevante fattore per il fabbisogno energetico è la compattezza dell’edificio espressa dal rapporto tra superficie (S) dell’involucro e il volume (V) che lo racchiude. Il rapporto S/V dovrebbe essere < 0,6.
3. Isolamento termico: l’isolamento termico è la misura più efficace e più economica per ridurre li fabbisogno termico. I costi d’investimento si recuperano già entro pochi anni tramite i risparmi energetici ottenuti. Una kWh risparmiata mediante l’isolamento termico vale di più di una kWh prodotta dalla più efficiente caldaia, perché la vita dei materiali termoisolanti è molto più lunga rispetto a quella degli impianti.
fabbisogno termico e pertanto devono essere evitati al massimo. Balconi e ad altri elemento che normalmente sporgono dalla facciata possono essere costruiti anche senza diretto contatto con l’edificio.
5. Impermeabilità dell’involucro: l’involucro di un edificio energeticamente efficiente deve essere impermeabile al vento, perché le infiltrazioni incontrollate d’aria fredda aumentano il fabbisogno termico. L’impermeabilità deve essere accertata tramite un Blower-Door-Test.
6. Finestre: le finestre devono garantire la captazione degli apporti solari, ma anche ridurre le perdite di calore per trasmissione. Le finestre degli edifici energeticamente efficienti hanno una trasmittanza molto ridotta (U < 1,8 W/m2K) e una trasparenza che fa penetrare almeno il 55 % della luce incidente. La dimensione delle finestre deve essere “giusta” e non eccessiva per ridurre il rischio di surriscaldamenti estivi.
7. Ventilazione controllata : gli edifici energeticamente efficienti possiedono un impianto di ventilazione che controlla il ricambio d’aria che deve essere di almeno 30-36 m3/h e persona. Il ricambio d’aria deve essere regolabile individualmente: per esempio, in presenza di fumatori deve essere possibile aumentare la ventilazione. In certi casi la ventilazione può assumere anche la funzione del riscaldamento. A questo scopo vengono usati ventilatori che hanno una potenza inferiore ai 40 W o funzionano a corrente continua di 24 V prodotta da
un piccolo pannello fotovoltaico.
8. Recupero di calore: la ventilazione meccanica consente il recupero del calore contenuto nell’aria in uscita per mezzo di scambiatori di calore che lo trasferiscono all’aria in entrata. Per ottenere un buon risultato di recupero, questi scambiatori devono avere un rendimento di almeno il 60-75 %.
9. Scambiatori di calore interrati: gli scambiatori interrati, in uso già da molto tempo in sistemi di riscaldamento, consentono riscaldare o raffreddare l’aria in entrata, perché alla profondità di 100-150 cm, la temperatura della terra rimane quasi costante per tutto l’anno. L’aria esterna, prima di entrare nel sistema di ventilazione, passa per lo scambiatore interrato riscaldandosi o raffreddandosi. In inverno, l’aria di 0°C, passata per lo scambiatore, può acquistare una temperatura fino a 10-12°C, mentre in estate, l’aria con una temperatura oltre 30°C si raffredda fino a 25-27°C.
10. Riscaldamento: negli edifici ad alta efficienza energetica si sfrutta, in primo luogo e in maniera passiva, l’energia solare, ma, nei giorni più freddi dell’anno, questa non è normalmente sufficiente per portare la temperatura all’interno dell’edificio ai desiderati 19-20°C per cui si ha bisogno anche di un impianto dl riscaldamento convenzionale. La produzione di calore è normalmente affidata ad una caldaia a
condensazione o ad una pompa di calore; in certi casi è sufficiente anche un collettore solare ad acqua.
11. Collettori solari: la produzione d’acqua calda sanitaria con collettori solari riduce notevolmente i consumi energetici ed è pertanto economica. Con il risparmio energetico ottenuto i costi di un collettore si recuperano in pochi anni.
12. I pannelli fotovoltaici: generano corrente continua a 12 o 24 V, che può essere utilizzata per azionare pompe ad alta efficienza energetica. Normalmente conviene trasformarla in corrente alternata a 220 V ed immetterla nella rete elettrica. Il sistema garantisce la disponibilità d’energia anche nei periodi in cui l’impianto fotovoltaico non ne produce abbastanza e si guadagna quando produce più di ciò che si consuma.
Gli edifici passivi fanno parte del gruppo degli edifici energeticamente efficienti e sono caratterizzati da un fabbisogno energetico che non supera i 15 kWh/m2a.
Gli esempi finora costruiti hanno dimostrato che un edificio passivo può essere realizzato a costi concorrenziali rispetto a quelli degli edifici normali che corrispondono alle normative sul risparmio energetico. Lo standard di un edificio passivo si ottiene tramite i seguenti dispositivi:
- ottimale orientamento dell’edificio verso il sole
- ottimale rapporto tra superficie dell’involucro e volumetria (S/V) - efficace isolamento termico dell’involucro
- finestre con telai e vetri termici - impermeabilità dell’involucro - ventilazione meccanica controllata.
A differenza di un semplice edificio energeticamente efficiente, l’edificio passivo ha dei requisiti più restrittivi riguardo a
Isolamento termico: l’involucro deve possedere una trasmittanza U < 0,15 W/m2K. Questo implica l’applicazione di uno strato termoisolante
di elevato spessore; l’alto costo dell’isolamento termico viene controbilanciato dai risparmi energetici nell’esercizio dell’edificio.
Finestre: le finestre devono garantire la captazione degli apporti solari, ma anche ridurre le perdite di calore per trasmissione. Le finestre degli edifici passivi hanno una elevata proprietà termoisolante (U < 0,8 W/m2K). Per evitare eventuali surriscaldamenti degli ambienti e anche in riguardo al costo elevato, la superficie delle finestre esposte a Sud è da limitare a quella indispensabile per procurare gli apporti solari necessari.
Recupero di calore: la ventilazione meccanica consente il recupero del calore contenuto nell’aria in uscita per mezzo di scambiatori di calore che
lo trasferiscono all’aria in entrata. Per ottenere un buon risultato di recupero, questi scambiatori devono avere un rendimento di almeno l’80%.
Riscaldamento: l’edificio passivo non necessita di un impianto dl riscaldamento convenzionale; le perdite di calore sono infatti così minime che gli apporti solari (attraverso finestre e vetrate), il calore recuperato dall’aria in uscita e quello prodotto da sorgenti interne (persone, apparecchiature, macchinari, illuminazione artificiale), può coprire quasi tutto il fabbisogno termico del riscaldamento invernale.
Un ulteriore apporto energetico può essere fornito da una piccola pompa di calore che comunque non supera i 15 kWh/m2a.
4.2. I SISTEMI SOLARI PASSIVI
Cos’è un sistema solare passivo
Per mantenere all’interno di un edificio condizioni termiche che assicurino il benessere degli occupanti in presenza di un ambiente esterno più freddo, è necessario fornire all’edificio una quantità di calore tale da compensare le perdite verso l’esterno dovute alla differenza di temperatura, per trasmissione attraverso l’involucro e per ventilazione. Il calore viene fornito mediante un impianto apposito, alimentato da energia di origine fossile.
Oltre al calore fornito dall’impianto, un edificio riceve calore da altre fonti quali persone, illuminazione artificiale, elettrodomestici, apparecchiature varie e dal sole, ovvero dalla radiazione che incide sull’involucro.
Gli edifici “normali” utilizzano poco questa risorsa: solo una piccola frazione dell’energia incidente sulle superfici opache e sulla copertura viene assorbita; la frazione di quella incidente sulle superfici trasparenti che viene trasmessa all’interno è elevata, ma le aperture sono generalmente di dimensioni modeste, e distribuite in modo non ottimale tra i diversi orientamenti.
Un sistema per il riscaldamento ambientale di un edificio viene definito solare passivo quando la fonte energetica principale è costituita dalla radiazione solare incidente sull’edificio, e gli scambi e i trasferimenti del calore risultante dalla conversione della radiazione assorbita avvengono per effetto di fenomeni “naturali” ovvero senza l’intervento di moti di fluidi
causati da pompe o ventilatori, che per il loro funzionamento richiedano energia meccanica ottenuta dalla conversione di energia di origine fossile. L’impianto di riscaldamento tradizionale svolge una funzione di integrazione, complementare.
In un sistema passivo le funzioni di captazione della radiazione solare, la sua conversione in calore, l’immagazzinamento e la distribuzione di tale calore, sono svolte da parti dell’edificio che svolgono anche altri funzioni: statiche, di chiusura, di illuminazione, ecc.
I principi della progettazione passiva
Il comportamento termico del sistema-edificio deve essere organizzato e controllato in fase di progettazione, attraverso una organica integrazione con il contesto climatico e ambientale. Sostanzialmente i sistemi solari passivi combinano in maniera opportuna nel progetto architettonico quattro componenti fondamentali dell’edificio:
• le superfici trasparenti; • le capacità (muri, solai,...); • la coibentazione;
• sistemi di schermatura, fissi o mobili.
Riferendoci al solo riscaldamento degli edifici le strategie possibili per il contenimento dei fabbisogni di energia da fonte fossile sono due:
1. riduzione delle dispersioni di calore
2. aumento dei guadagni, specie da fonte solare.
strutture opache, l’eliminazione dei ponti termici e l’adozione di componenti trasparenti ad alta resistenza termica e di serramenti con buona tenuta.
La seconda richiede ampie superfici trasparenti sulle parti dell’edificio maggiormente esposte alla radiazione solare nei mesi invernali ( alle nostre latitudini, le pareti verticali esposte a Sud).
Le due strategie non sono indipendenti.
I guadagni solari possono causare surriscaldamenti, con la doppia conseguenza di compromettere il benessere e di aumentare le dispersioni, riducendo quindi il potenziale risparmio energetico. L’eventualità e l’entità di surriscaldamenti dipende dal complesso delle caratteristiche dell’edificio: resistenze e capacità termiche e dal rapporto tra dispersioni e guadagni, ad esempio mensili. Inoltre, l’impianto di riscaldamento deve essere in grado di modulare l’erogazione del calore in base alle effettive esigenze. In altri termini, non basta assicurare cospicui guadagni: se ne deve anche permettere una buona utilizzazione.Si vede, quindi, come sia necessario combinare soluzioni progettuali, sia di tipo “conservativo” che di tipo “solare passivo”, con soluzioni impiantistiche, in modo integrato, data la forte interazione tra i vari aspetti.
In fig. 1 è rappresentato schematicamente un “edificio ideale”, nelle condizioni estive ed invernali, diurne e notturne.
Il comportamento di questo edificio dovrebbe consentire le seguenti funzioni:
A. capacità di “aprirsi” alla radiazione solare quando questa è disponibile ed utile (ore diurne della stagione fredda ) e di immagazzinare il calore corrispondente; a questo scopo sono necessarie ampie superfici trasparenti, specie sulla facciata Sud, elevata capacità termica e coibentazione elevata;
B. possibilità di “chiudersi” nelle ore notturne della stagione fredda, riducendo le dispersioni attraverso le superfici trasparenti, e sfruttando il calore immagazzinato;
C. protezione delle superfici trasparenti dalla radiazione solare quando questo sia indesiderabile (ore diurne della stagione calda);
D. capacità di efficiente dissipazione di calore nelle ore notturne della
stagione calda, al fine di raffreddare la capacità termica, che può così svolgere una funzione di pozzo di calore nelle ore diurne.
I componenti
Ogni sistema solare passivo è composto da tre elementi fondamentali: 1. lo spazio (o ambiente) da riscaldare
2. il collettore di radiazione solare 3. l’accumulo di calore
Scambi di calore hanno luogo tra ciascun elemento e gli altri: collettore-spazio, collettore-accumulo, accumulo-spazio.
Lo spazio è costituito dagli ambienti dell’edificio abitati e che richiedono un costante controllo sulle condizioni termiche.
Il collettore è costituito da una superficie trasparente o traslucida, integrata sul lato Sud dell’edificio, verticale o inclinata, o sulla copertura, e da un assorbitore, superficie opaca, generalmente di colore scuro, esposta alla radiazione solare che penetra attraverso la superficie trasparente; l’assorbitore converte, assorbendola in parte, la radiazione solare in calore.
L’accumulo è composto da uno o più materiali, caratterizzati da una elevata capacità di immagazzinare calore, in forma sensibile o latente. L’elevata capacità svolge una funzione di volano termico, limitando le escursioni di temperatura. Spesso gli stessi pavimenti e pareti, se opportunamente progettati. svolgono tale funzione.
caso del muro di Trombe, o del pavimento nel caso di guadagno diretto, come si vedrà.
La trasmissione del calore tra collettore, spazio e accumulo può avvenire, come detto, attraverso meccanismi di scambio naturali (conduzione, irraggiamento, convenzione naturale) o forzati, secondo diverse modalità di controllo.
I componenti che attuano il controllo possono essere fissi o mobili azionati manualmente o automaticamente, e si possono raggruppare nelle seguenti categorie:
- schermature, che permettono di regolare l’ingresso della radiazione solare
- riflettori, per aumentare la radiazione che raggiunge le aperture - sistemi di isolamento mobili, che riducono le dispersioni di calore,
specie attraverso le superfici trasparenti
- valvole di vario tipo, che permettono di regolare il moto naturale dei fluidi (di solito, aria) termovettori tra gli elementi
- aperture regolabili, per il controllo della circolazione dell’aria esterna.
Materiali innovativi
Molte soluzioni innovative sono in via di sviluppo e sperimentazione, specie nel settore dei materiali trasparenti. La ricerca tende a superare le due principali limitazioni del vetro e dei materiali plastici tradizionali: la
bassa resistenza termica e la trasparenza elevata.
La prima limitazione è evidente. Nei periodi freddi, le superfici vetrate sono sede sia di guadagno termico (la radiazione solare) che di perdite (per trasmissione dovuta a differenza di temperatura tra interno e esterno), Il bilancio tra i due fenomeni dipende da un lato dalle caratteristiche del materiale trasparente, dall’altro dai valori della differenza di temperatura, cioè della temperatura esterna, e della radiazione solare che dipende anche dall’orientamento.
Per quanto riguarda la trasparenza, questa caratteristica è un elemento positivo nei periodi freddi, nei quali l’introduzione di radiazione solare negli edifici porta un vantaggio.
Tuttavia nei periodi caldi le superfici trasparenti, se non vengono protette diventano sorgenti di calore indesiderate e quindi causa di “discomfort” e/o di elevati consumi energetici per il raffrescamento.
Il problema è quindi quello di differenziare il comportamento degli elementi trasparenti a seconda delle condizioni ambientali.
Le soluzioni tecnologiche proposte sono molteplici.
Per quanto riguarda il primo aspetto: materiali isolanti trasparenti (TIM) che uniscono elevate caratteristiche di trasparenza a valori molto ridotti della trasmittanza termica (ad esempio 0.5 W/m2 C); film sottili basso-emissivi, che riducono l’assorbimento e l’emissione nell’infrarosso, così riducendo le dispersioni senza compromettere la trasparenza nei confronti della radiazione solare.
quali i vetri termo-cromici, il cui comportamento rispetto alla radiazione passa da trasparente ad opaco al crescere della temperatura, o quelli elettro-cromici, in cui lo stesso risultato viene ottenuto attivando o disattivando un campo elettrico tra due strati della struttura a sandwich di cui sono composti, che si comportano da elettrodi.
Le configurazioni del comportamento passivo
I sistemi solari passivi sono usualmente classificati in base a due criteri: 1. la posizione della superficie trasparente (o apertura)
2. il meccanismo di cessione del calore allo spazio da riscaldare (o guadagno).
Per quanto riguarda il primo aspetto, le aperture si possono distinguere in: - aperture sulla facciata Sud
- aperture sulla copertura protette - aperture sulla copertura
- aperture “remote” ovvero non facenti parte dell’involucro propriamente detto.
Rispetto al secondo aspetto si distinguono tre tipi:
- guadagno diretto: la radiazione solare penetra direttamente nello spazio abitato e la temperatura dell’aria è accoppiata a quella dell’assorbitore e/o dell’accumulo;
- guadagno indiretto: la radiazione solare non penetra direttamente nello spazio abitato, ma la temperatura dell’aria è accoppiata a quella dell’assorbitore e/o dell’accumulo:
- guadagno isolato: la radiazione solare non penetra direttamente nello spazio abitato e la temperatura dell’aria non è accoppiata a quella dell’assorbitore e/o dell’accumulo.
Guadagno diretto
Costituisce la più semplice configurazione di sistema solare passivo. Le superfici trasparenti, generalmente costituite da ampie finestre sulla facciata Sud o da lucernai, permettono l’ingresso della radiazione solare direttamente nell’ambiente abitato e controllato.
L’assorbitore è costituito dalle superfici che delimitano l’ambiente ( pareti e pavimento ) direttamente investite dalla radiazione solare,
mentre la massa di tali elementi forma l’accumulo ( fig. 2).
Il funzionamento è semplice. Nelle ore diurne la radiazione solare che attraversa le superfici trasparenti incide su pavimento e/o pareti, ne viene ( parzialmente ) assorbita e convertita in calore.
Questo calore provoca un aumento della temperatura dei corpi, e una conseguente cessione di calore all’ambiente: per convenzione all’aria, per irraggiamento alle altre pareti. La capacità termica dei corpi investiti immagazzina calore, che è così disponibile per le ore notturne e per le giornate con insolazione ridotta.
In questo come in tutti gli altri tipi di sistemi passivi, la riduzione del fabbisogno termico, da fornire con l’impianto di riscaldamento, si ha solo se la regolazione dell’impianto stesso consente di adeguare l’erogazione del calore alle condizioni.
La soluzione ideale richiederebbe una regolazione, comandata da sensori di temperatura, locale per locale. Come accennato in precedenza, una elevata capacità termica riduce il rischio di surriscaldamenti causati da una eccedenza del calore “solare” ceduto all’ambiente rispetto alle contemporanee perdite di calore dall’ambiente verso l’esterno.
Per migliorare l’efficienza del sistema, si possono prevedere schermature
mobili, che riducono le dispersioni di calore attraverso le superfici trasparenti nelle ore notturne.
Nel periodo estivo sarà in generale necessario prevenire, o contenere, la penetrazione della radiazione solare attraverso le superfici trasparenti, per evitare il pericolo di surriscaldamenti. Questo si può ottenere mediante protezioni mobili quali avvolgibili, veneziane, lamelle, tende riflettenti, ecc. - o fisse. Si deve infatti rammentare che la posizione del sole nel cielo varia da stagione a stagione, così che risulta possibile predisporre configurazioni che permettano alla radiazione solare di raggiungere le superfici trasparenti nei periodi freddi, quando il sole segue traiettorie basse, mentre le stesse superfici risultano in ombra nei periodi caldi, con traiettorie del sole alte rispetto all’orizzonte. Questo si può ottenere con oggetti, orizzontali e verticali, di dimensioni opportune.
Guadagno indiretto
In questo gruppo di sistemi passivi la radiazione non penetra direttamente negli ambienti abitati, perché viene intercettata dal collettore/assorbitore, che può essere di forma e natura molto diverse. Il calore prodotto dalla conversione della radiazione solare dovrà poi giungere agli ambienti, con meccanismi (prevalentemente) naturali, anch’essi di tipo molto diverso. Appartengono a questo gruppo i seguenti tipi di sistema:
- muro di Trombe - parete ad accumulo - roof pond
Muro di Trombe
Il nome deriva dal ricercatore francese che ha per primo sviluppato e fatto conoscere questa soluzione.
La superficie trasparente, al solito situata sulla facciata Sud, è separata dall’ambiente interno da una parete massiccia, con la faccia esterna di colore scuro, con funzione di assorbitore e di accumulo. Una intercapedine d’aria, di 10-15 cm di spessore, separa la superficie trasparente dal muro. Il muro presenta una doppia fila di aperture, in alto e in basso, che collegano l’intercapedine e l’ambiente.
Il funzionamento nei periodi freddi ( fig.3) è il seguente.
Durante le ore diurne la radiazione solare attraversa a superficie trasparente ed incide sulla faccia scura della parete, che la assorbe. Il calore così ottenuto causa un innalzamento della temperatura dello strato superficiale del muro, e viene quindi in parte ceduto all’aria nell’intercapedine per convezione e alla superficie trasparente per irraggiamento. in parte trasmesso per conduzione verso l’interno del muro. Il calore ricevuto dall’aria ne provoca un innalzamento di temperatura, con conseguente diminuzione di densità e innesco di un moto convettivo
ascensionale, che si traduce nell’ingresso nell’ambiente di una portata d’aria calda attraverso le bocchette superiore, mentre una equivalente portata di aria fredda passa dall’ambiente all’intercapedine attraverso le bocchette inferiori (termocircolazione). Il risultato netto è, ovviamente, un trasferimento netto di calore all’ambiente.
Nelle ore notturne il raffreddamento della superficie trasparente crea un moto convettivo verso il basso (termocircolazione inversa). Questo fenomeno deve essere impedito, perché condurrebbe ad una perdita netta di calore per l’ambiente, mediante la chiusura delle bocchette, ottenuta con saracinesche o valvole di vario tipo. La trasmissione di calore attraverso la parete avviene secondo le leggi della diffusione in un mezzo omogeneo causata da un andamento periodico su una delle facce, ovvero con un ritardo di fase ed una attenuazione dell’ampiezza, proporzionali alla diffusività termica del mezzo ed allo spessore della parete. Scegliendo opportunamente materiali e dimensioni, si può facilmente ottenere che il ritardo sia di alcune ore, così che l’andamento della temperatura della faccia interna del muro, quella direttamente affacciata sull’ambiente, raggiunga i valori massimi nelle ore serali - notturne. In questo modo la riduzione fino alla scomparsa dell’apporto di calore per termocircolazione può essere compensata dall’ apporto “adduttivo” tra faccia interna del muro e ambiente.
Nei periodi caldi (fig.4) il sistema funzionerebbe allo stesso modo, con evidenti conseguenze negative per il comfort.
Questo si può evitare schermando opportunamente la superficie trasparente dalla radiazione solare, quanto meno da quella diretta. Va comunque notato come, a latitudini come le nostre, la posizione del sole nei mesi estivi porta ad un doppio effetto: bassi valori di radiazione su superfici verticali, e angoli di incidenza molto elevati, con conseguenti riduzioni del valore del coefficiente di trasmissione del vetro, così che la quantità di radiazione che giunge alla parete è molto più piccola di quella tipica dei mesi invernali.
Se si predispone la possibilità di aprire la superficie trasparente verso l’esterno in corrispondenza della sommità, il muro di Trombe può essere usato per innescare un “effetto camino” che porti all’espulsione naturale dell’aria nell’intercapedine, con conseguente richiamo di aria fresca dall’ambiente attraverso le bocchette inferiori. Questo produce una ventilazione forzata naturale, che può contribuire sensibilmente al comfort
estivo, specie se l’aria viene richiamata da parti ove si trovi a temperature basse ( locali interrati, parti esterne in ombra, ecc.).Anche in questo caso proiezioni mobili di vario tipo possono contribuire a limitare le perdite di calore dalle superfici trasparenti nelle ore notturne e nelle giornate con bassa insolazione.
Pareti ad accumulo
Vengono così definite configurazioni simili al muro di Trombe, ma prive di bocchette, e quindi senza termocircolazione (dette anche “non ventilate”). Il calore si trasmette solo per diffusione attraverso la parete, con una perdita di rendimento, ma senza i problemi connessi alla circolazione dell’aria. Risulta particolarmente interessante l’accoppiamento di questa tecnologia con i materiali trasparenti isolanti menzionati in precedenza.
Roof pond
Viene così definito un sistema in cui captazione ed accumulo siano rappresentati da volumi d’acqua collocati sul tetto dell’edificio. Questo ne limita l’applicabilità ai soli edifici a un piano. Inoltre, come è noto, alle nostre latitudini una superficie orizzontale riceve, rispetto ad una superficie verticale Sud, meno radiazione nei mesi invernali, e di più nei mesi estivi. Si tratta quindi di tecnologie che trovano il loro campo di applicazione a latitudini minori e, dato l’ottimo comportamento estivo in presenza di elevati scambi radiativi notturni, in climi di tipo desertico.
caldo, l’esposizione diretta alla radiazione solare del volume d’acqua, senza superfici trasparenti,
contenuto in recipienti opportuni, ad esempio grandi sacchi di polietilene di colore scuro. In questo modo l’acqua si scalda, ed il calore viene trasmesso agli ambienti sottostanti attraverso il solaio, che deve quindi presentare bassa resistenza termica (ad esempio, lamiera ondulata) principalmente per irraggiamento, essendo poco efficiente la convezione (flusso di calore verso il basso). Nelle ore notturne la cessione di calore attraverso il solaio continua, mentre pannelli di materiale isolante, o altro accorgimento equivalente, vengono spostati in modo da contenere le perdite di calore dal volume d’acqua all’esterno (fig.5).
Nelle ore diurne del periodo caldo, gli stessi pannelli vengono impiegati per proteggere dalla radiazione solare il volume d’acqua, che viene esposto di notte, in modo da dissipare calore per irraggiamento verso il cielo (fig.6).
Figura 5
La massa d’acqua fredda che si viene così a formare costituisce un “pozzo” di calore nei confronti dello spazio abitato nelle ore diurne. Il calore si trasferisce dall’ambiente alla massa d’acqua per convezione naturale (flusso verso l’alto) e irraggiamento.
Guadagno isolato
Il maggior problema del muro di Trombe è dato dalla prossimità dell’accumulo con l’esterno. Questo porta a perdite di calore rilevanti attraverso la superficie trasparente, con riduzione del rendimento complessivo del sistema. Si è quindi cercato di allontanare l’accumulo dal captatore. Il risultato sono i sistemi con collettori ad aria di vario tipo.
Collettori ad aria con letto di pietre
Si tratta di sistemi non compatibili con tipologie edilizie multi-familiari, in quanto richiedono per l’accumulo del calore notevoli volumi occupati da pietre.
Lo schema prevede superfici captanti costituite da collettori ad aria, dai quali aria riscaldata a contatto con la piastra metallica captante giunga all’accumulo, dove cede calore percorrendo gli interstizi tra pietra e pietra.
- ore diurne con richiesta di riscaldamento: l’aria calda viene mandata direttamente dai collettori agli ambienti da riscaldare
- ore diurne senza richiesta di riscaldamento: l’aria calda percorre il circuito chiuso collettori - accumulo - collettori, “caricando” l’accumulo
- ore notturne o di scarsa insolazione: l’aria calda viene prelevata dall’accumulo e inviata agli ambienti, da cui viene prelevata aria fredda, secondo un circuito di “scarica”.
Le diverse modalità vengono attuate mediante la chiusura e apertura di valvole. Il moto può essere affidato esclusivamente a cause naturali (ascesa dell’aria calda, discesa di quella fredda), oppure essere aiutato da ventilatori. Nel caso di moti naturali, è necessario che vi sia una differenza di quota tra collettori ( in basso ), letto di pietre ( in posizione intermedia )
e ambienti ( in alto ), esigenza che pone ulteriori problemi alla utilizzazione di questa soluzione in edifici a più piani.
Camini solari Barra-Costantini
Questa soluzione prevede la separazione tra collettori (ad aria, verticali, sulla facciata Sud dell’edificio) e accumulo, ricavato dalla struttura dei solai (fig.8).
Si può descrivere il sistema come un muro di Trombe in cui il muro sia tolto dalla posizione abituale, a ridosso della superficie captante, e posto, in orizzontale, sul soffitto. Nelle ore diurne l’aria che si trova nell’intercapedine tra vetro e superficie captante, solitamente costituita da una lastra metallica scura, si scalda, sale e penetra in canalizzazioni ricavate nello spessore del solaio di calcestruzzo. Nel percorrere tali canali, l’aria calda cede parte del suo calore alle pareti che, lo accumulano scaldandosi.
L’aria, ancora calda, penetra negli ambienti attraverso bocchette situate sul solaio. Il circuito si chiude con l’ingresso di aria fredda nell’intercapedine tra vetro e superficie captante, attraverso bocchette simili a quelle di un muro di Trombe. Di notte il solaio-accumulo cede il suo calore all’ambiente per irraggiamento. Il sistema ha un rendimento maggiore di quello di un muro di Trombe, in quanto l’accumulo ha luogo lontano dall’involucro disperdente. Inoltre, a differenza di quanto si ha con il muro di Trombe, è possibile collocare uno strato di coibente dietro la lastra metallica, così che di notte, con la termocircolazione inversa inibita
dalla chiusura di valvole, la resistenza termica della parete è data dalla somma delle resistenze dell’intercapedine e dello strato isolante.
Come nel caso di muro di Trombe, nel periodo caldo il sistema può favorire una ventilazione incrociata indotta dal tiraggio dovuto
all’effetto camino, a condizione che venga aperta una valvola che consenta la fuoriuscita dell’aria calda verso l’esterno, e ne venga impedito l’ingresso nelle canalizzazioni del solaio. Rispetto ai muro di Trombe, inoltre, la presenza dello strato isolante previene il rischio di trasmissione di calore indesiderato verso l’interno.
LE SERRE AGGIUNTE
L’uso della serra integrata nell’edificio è una importante strategia di progettazione per il risparmio energetico soprattutto nel recupero edilizio. Il sistema della “serra” consiste in uno spazio “tampone” di varie dimensioni, prevalentemente esposto a Sud (sud-est, sud-ovest) in funzione delle latitudini e delle esigenze termiche; due o più superfici vetrate lo separano dall’esterno e sistemi di apertura più o meno grandi e posizionati strategicamente permettono il miglior funzionamento dello spazio in ogni periodo dell’anno.
Questi spazi hanno la caratteristica di essere praticabili, ma di non essere termicamente controllati, ovvero di essere privi di impianto di riscaldamento. L’andamento della temperatura dell’aria in questi spazi è estremamente diversificato, dipendendo dalle condizioni esterne, di temperatura e di radiazione, dall’orientamento, dalle dimensioni, dalle caratteristiche della superficie trasparente e da quelle della parete cui è addossato e del pavimento, ecc.
La funzione di questi spazi è duplice. Da un lato riducono le dispersioni di calore attraverso la parete cui sono addossati, dall’altro hanno una funzione di captazione della radiazione solare. Si parla di serre aggiunte o addossate come sistemi solari passivi, quando la funzione di captazione sia rilevante, sia a causa dell’orientamento (facciata Sud), sia grazie ad opportune scelte progettuali che permettano l’individuazione degli elementi fondamentali: collettore, accumulo, spazio, e dei conseguenti
meccanismi di distribuzione e controllo.
Una serra ben progettata può consentire elevati risparmi energetici in quanto, tramite essa, è possibile catturare l’energia solare che si trasforma in calore utile per riscaldare gli ambienti riducendo, in tal modo, la ventilazione, le infiltrazioni d’aria e le perdite di calore.
Opportunità
Per quanto riguarda il risparmio energetico, quello che conta è l’orientamento: una facciata orientata a sud fornisce naturalmente migliori benefici.
Le opzioni future ed i vantaggi che l’introduzione delle serre favoriscono sono molteplici; attualmente sul mercato sono sempre più presenti prodotti e strutture prefabbricate di semplice applicazione che favoriscono l’inserimento di sistemi integrati di ventilazione così come di elementi solari attivi quali collettori solari o celle fotovoltaiche.
Principi di progettazione
Le principali caratteristiche per una buona progettazione delle serre sono la profondità, che varierà secondo che queste comprendano l’intera profondità degli ambienti o riguardino un solo ambiente, e la loro integrazione nella facciata, che potrà essere sporgente o complanare con la superficie della stessa.
Non solo, ma per ottenere gli effetti desiderati è opportuno:
• usare vetri basso emissivi cioè con caratteristiche minime di trasmissione termica;
• prevedere le aperture dei vetri nel periodo estivo;
• preriscaldare l’aria in entrata per la ventilazione usando sistemi per lo scambio di calore;
• verificare la tenuta degli infissi;
• prevedere un adeguato sistema di ombreggiamento.
Lo spazio della serra deve essere ben dimensionato per consentire un adeguato irraggiamento allo spazio interno, evitando, però, il verificarsi di un indesiderato surriscaldamento in estate e di elevate perdite di calore in inverno. L’uso della vegetazione può, inoltre, contribuire alla riduzione del surriscaldamento anche grazie alla presenza, nello spazio interno, di una pavimentazione interna dal colore chiaro.
Principi di funzionamento
In termini di classificazione (fig.9), una serra aggiunta può appartenere sia al tipo a guadagno diretto (quando la parete di separazione con lo spazio sia trasparente) sia al tipo a guadagno indiretto ( se la parete non è isolata, e svolge quindi la stessa funzione di una parete ad accumulo, o di un muro di Trombe, se esistono aperture che consentano la termo-circolazione), sia al tipo a guadagno isolato (se la parete è isolata).
In genere le serre aggiunte sono una combinazione dei primi due tipi, in quanto la parete presenta aperture e superfici trasparenti, così che lo spazio guadagna calore sia direttamente che indirettamente.
In questo caso il comportamento tipico è il seguente.
Nelle ore diurne dei periodi freddi la radiazione solare che penetra attraverso la superficie trasparente della serra incide, per una parte, sul pavimento di questa, in parte sulla parete divisoria, ed in parte penetra nello spazio abitato e controllato, attraverso aperture (porte) e superfici trasparenti. La parte assorbita dal pavimento scalda l’aria nella serra e la massa del pavimento stesso, che così funziona da accumulo.
Anche la parete divisoria svolge la stessa funzione, ma, se non è isolata, costituisce anche un accumulo direttamente in contatto con l’ambiente interno. La parte di radiazione che penetra direttamente nello spazio interno costituisce un guadagno diretto, come già visto. L’aria calda della serra può, quando la sua temperatura sia maggiore di quella dell’aria interna, e se la parete è provvista di aperture adatte, essere fatta penetrare nello spazio interno, per via naturale o forzata, mentre una portata uguale di aria esce dallo spazio verso la serra.
Nelle ore in cui la temperatura dell’aria nella serra sia inferiore a quella interna (ore notturne o di scarsa insolazione) questo meccanismo deve essere inibito. La serra svolge comunque, anche in queste occasioni, un importante ruolo di conservazione, in quanto la temperatura al suo interno sarà comunque maggiore di quella esterna, sia per il calore accumulato nel pavimento e nella parete. che viene rilasciato all’aria della serra, sia
per la presenza della resistenza termica costituita dalla superficie trasparente.
In generale, quindi, la temperatura dell’aria nella serra sarà soggetta ad ampie escursioni, tali da renderla non confortevole, sia per troppo caldo che per troppo freddo, durante alcune parti della stagione fredda (ovviamente durante la stagione calda la serra va assolutamente protetta dalla radiazione). Va sempre ricordato, tuttavia, che la serra deve essere considerata un volume tecnico, in quanto l’involucro del volume riscaldato è delimitato dalla parete divisoria. La abitabilità della serra è un beneficio aggiuntivo, non l’obiettivo principale.
Caratteristiche e prestazioni:
- inverno: il sistema delle serre/spazi tampone svolge il duplice compito di captare l’energia solare e di ridurre le dispersioni termiche dell’alloggio;
- estate: attraverso l’apertura e la rimozione dì pannelli vetrati, le serre costituiscono delle verande coperte che riducono l’irraggiamento solare sugli infissi dell’alloggio (ombreggiamento);
- giorno: in presenza di radiazione solare parte dell’energia termica entrante riscalda l’aria dell’ambiente e parte riscalda le masse di accumulo; la temperatura dell’aria interna raggiunge così livelli molto elevati;
- notte: le masse di accumulo restituiscono all’ambiente l’energia termica immagazzinata, mantenendo la temperatura dell’aria a livelli accettabili per un certo tempo residuo
Le serre addossate riducono fondamentalmente sia le perdite di calore per trasmissione che quelle per ventilazione. L’aria esterna necessaria per ventilare gli ambienti viene preriscaldata dal sole e reimmessa all’interno ad una temperatura più alta, riducendo la necessità d’uso dei convenzionali sistemi di riscaldamento. Naturalmente la tenuta all’aria degli ambienti deve essere elevata in modo da non consentire perdite per infiltrazioni.
Costi e benefici
Maggiori risparmi energetici possono essere ottenuti se i parametri termici dei vetri e quelli della ventilazione vengono ottimizzati. L’aggiunta di una serra, senza sistema di preriscaldamento dell’aria, può far risparmiare dai 10 ai 20 kWh/m2 all’anno, nel caso di appartamento. Inoltre, se la serra è realizzata con vetri basso emissivi, la domanda annuale di riscaldamento potrà essere ridotta dell’ordine dei 35-55 kWh/m2.
Benefici sul benessere riguardano naturalmente l’incremento delle temperature medie di circa 5 – 8° durante la stagione invernale; la serra, infatti, costituisce uno spazio cuscinetto tra l’ambiente esterno e l’edificio, migliorandone le condizioni di comfort e apportando un grosso contributo al bilancio energetico dell’edificio.
