Modulo n°5 Tecniche, tecnologie e materiali per la nuova qualità

POR CALABRIA 2000/2006 - ASSE III – RISORSE UMANE MISURA 3.9
SVILUPPO DELLA COMPETITIVITÀ DELLE IMPRESE PUBBLICHE E
PRIVATE CON PRIORITÀ ALLE PMI
GESTIONE SOSTENIBILE DELLE RISORSE ENERGETICHE
NEI SETTORI DELL’EDILIZIA E DEGLI IMPIANTI
Modulo n°5 Tecniche, tecnologie e materiali
per la nuova qualità energetica.
Unità Didattica: 5.1
I SISTEMI PASSIVI PER IL GUADAGNO
TERMICO DELL’EDIFICIO E PER IL
RAFFRESCAMENTO NATURALE
A cura di
Arch. Deborah Pennestrì
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ARCHITETTURA E CLIMA: VERSO IL RISPARMIO ENERGETICO
“Per architettura bioclimatica si intende un’architettura che sfrutta
come risorsa le caratteristiche morfologiche ed il clima del luogo:
impiega prioritariamente i materiali locali e per il proprio
funzionamento utilizza le fonti energetiche rinnovabili locali:
radiazione solare, venti, vegetazione, corsi d’acqua”.
V. Olgyay, 1963
IL CONTESTO DI INTERVENTO E LE RICADUTE SULL’EDIFICIO
l'analisi dei dati climatici della zona:
- andamento delle temperature;
- umidità relativa;
- velocità media del vento;
- radiazione solare.
Le caratteristiche specifiche del sito:
•ombre proiettate dagli edifici
circostanti;
•tipo di vegetazione;
•vicinanza ad un bacino o ad un corso
d'acqua;
•caratteristiche della superfici intorno
Le ricadute prestazionali sull’edificio
Miglioramento delle condizioni di:
BENESSERE
- microclimatico (comfort estivo/invernale,
controllo della ventilazione naturale)
- visivo (controllo illuminazione naturale:
flusso luminoso e trasparenza)
-Acustico
SALVAGUARDIA DELL’AMBIENTE
- Risparmio energetico e ritenzione del
calore
all'edificio (asfalto, manto erboso, …).
Il rapporto edificio/ambiente
Strategie di progettazione bioclimatica
•
orientamento e posizione dell’edificio
•
forme e configurazione geometrica dell’edificio
•
caratteristiche dell’involucro (sistemi per il guadagno termico
e il raffrescamento)
•
materiali e tecnologie
ANALISI DEL SOLEGGIAMENTO
Orientare in maniera corretta l’edificio per:
-ottimizzare lo sfruttamento della radiazione solare in inverno;
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- minimizzare il surriscaldamento estivo;
-garantire i corretti livelli di illuminamento naturale.
Per fare ciò è necessario analizzare il percorso del sole
In generale è opportuno:
• orientare l’asse principale dell’edificio secondo la direttrice Est-Ovest
in modo da massimizzare la superficie d’involucro esposta a Sud (per
irraggiamento solare periodo invernale);
• evitare di orientare l’asse principale della costruzione secondo l’asse
Nord-Sud
( risulta difficile schermare nel periodo estivo la radiazione solare con
conseguente possibile discomfort termico dovuto al surriscaldamento dell’aria
negli ambienti interni).
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ANALISI DEI VENTI
VENTO
Si chiama vento qualsiasi spostamento orizzontale dell'aria.
Il vento è caratterizzato da una direzione di provenienza e da una
intensità.
La direzione viene misurata con l' angolo tra la direzione di provenienza
e il Nord geografico, contato in senso orario.
Ad esempio un vento che proviene da est ha una direzione di 90°, da sud
180°, da ovest 270° e da nord 360°.
L'intensità si misura come velocità di spostamento dell'aria in m/s o nodi
o Km/h. Un nodo equivale a circa 1.8 Km/h o 0.5 m/s.
BREZZA
Vento con un ciclo giornaliero e velocità compresa tra 5 e 7 m/s,
provocato dalla differenza di pressione che si stabilisce tra acqua e
terraferma lungo i litorali marini (brezza mare-terra), oppure tra i versanti
dei monti e i fondovalle (brezza monte-valle). La differenza di pressione
tra terra e mare è dovuta al fatto che il suolo si riscalda di giorno più
rapidamente dell'acqua, mentre di notte si raffredda più rapidamente.
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ARCHITETTURA E CLIMA: VERSO IL RISPARMIO ENERGETICO
Costruire in rispetto alle condizioni climatiche locali è una pratica non
solo molto antica, ma è una consuetudine dell’uomo da quando ha
cominciato a costruire delle dimore stabili. Si costruisce una dimora allo
scopo di ripararsi dalle intemperie, dal sole, dalla pioggia e dalla neve, dal
troppo freddo e dal troppo caldo.
Il clima locale è uno dei principali fattori che hanno dato origine alle
numerose e differenti espressioni architettoniche che troviamo nel mondo.
Il secondo fattore, non meno importante, è la disponibilità dei materiali con
i quali si costruisce. Laddove vi sono boschi e foreste si usa il legno (p. es. in
Russia), in montagna la pietra (per es. in Tibet) e dove non si trovano questi
due materiali, si costruisce con la terra (p. es. in Mesopotamia, in Egitto).
Sistemi solari passivi per il guadagno termico
Essi impiegano l'irraggiamento solare incidente sulle superfici dell'involucro
edilizio e meccanismi naturali – cioè, senza l'ausilio d'energia prodotta da
impianti termici o importata dalla rete – per il trasferimento, del calore
assorbito, all'interno dell'edificio. Sistemi di riscaldamento naturale
possono essere sia gli stessi elementi tecnici di chiusura di un edificio –
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trasparenti (finestre) od opachi (pareti massive non isolate) – sia elementi
speciali, progettati per massimizzare l'apporto termico solare .
A guadagno diretto
SISTEMI SOLARI PASSIVI
A guadagno indiretto
A guadagno isolato
Sistemi solari passivi a guadagno diretto
Costituiti da ampie vetrate esposte a Sud e una forte coibentazione delle
pareti interne. Si parla di guadagno diretto quando la radiazione entra
direttamente nello spazio da riscaldare attraverso ampie superfici vetrate.
Favorire l'ingresso ed il contributo della radiazione solare rappresenta la
principale strategia di riscaldamento passivo.
I componenti vetrati dell’involucro regolano, quindi, il flusso dell’energia
termica solare e della luce. La forma geometrica delle aperture determina la
capacità dell’edificio di sfruttare il guadagno termico solare gratuito.
.
Sistemi solari passivi a guadagno indiretto
Muro di Trombe
E’ costituito da un muro dotato di forte massa (laterizi, pietra, cls) esposto
a Sud e da una vetrata posta a un distanza di 8 – 10 cm.
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L’energia termica che incide sulla vetrata viene catturata nella camera d’aria
e provoca un innalzamento della temperatura del muro. Il calore viene ceduto
in ambiente o per conduzione attraverso la parete o per convezione se
vengono effettuate delle aperture nella parte inferiore e superiore della
stessa. Il muro di accumulo deve avere un elevato fattore di assorbimento
(evitare tinte chiare; verificare fattore di assorbimento del materiale). Nella
stagione estiva il muro può essere utilizzato come camino solare.
Roof Pond
E’ costituito 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. Di
notte i contenitori vengono scoperti e cedono il calore accumulato all’esterno.
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Sistemi solari passivi a guadagno isolato
Serre
Una serra è un volume edilizio chiuso da pareti trasparenti contiguo agli spazi
abitati. Il sistema può avere numerose configurazioni; può essere concepito
come spazio abitabile, solo come collettore solare, come spazio cuscinetto.
All’interno della serra può essere collocata una massa di accumulo come
volano. Per evitare il surriscaldamento della serra nel periodo estivo è
necessario prevedere delle schermature o delle aperture. In questo caso la
serra può fungere anche come sistema di raffrescamento passivo sfruttando
l’effetto camino. Le serre sono applicabili ed adattabili agli edifici preesistenti.
Serre
I guadagni solari di una serra sono molteplici:
• guadagni solari da finestre fra la serra e lo spazio interno
• guadagni solari da accumulo di energia in muro massiccio
• effetto cuscinetto
• preriscaldamento aria di ventilazione
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Il controllo della radiazione solare: le schermature
Hanno un ruolo fondamentale nel controllare l’ingresso della
radiazione solare in ambiente e quindi nell’evitare nel
periodo estivo il surriscaldamento dell’aria. In generale
devono:
• consentire la penetrazione in ambiente della radiazione
solare durante l’inverno
• impedire la penetrazione in ambiente della radiazione
solare durante l’estate
Le schermature solari esterne sono quelle maggiormente
efficaci e devono essere costituite da:
• elementi orizzontali se poste sul fronte Sud
• elementi verticali se poste sui fronti Est e Ovest
Le schermature interne sono poco efficaci in quando
schermano la radiazione solare quando è già penetrata in
ambiente. Per determinare le caratteristiche dimensionali e
geometriche ottimali per una schermatura si può fare ricorso
alle maschere di ombreggiamento e ai diagrammi solari.
Sistemi di protezione della radiazione solare
La vegetazione
Proprietà:
-
Capacità e conduttanza termica minori di quelle delle superfici non
vegetate;
-
La radiazione solare è assorbita dalle foglie, riduzione della
componente riflessa;
-
Filtraggio della radiazione solare diretta in funzione della copertura
delle foglie;
-
Capacità di assorbimento dell’energia cinetica del vento, con modifica
dei relativi campi di velocità e pressione, più graduale rispetto alle
barriere solide.
Effetto schermante della vegetazione
1 Ombreggiamento
2 Riflessione
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3 Convezione
4 Evapotraspirazione e processi fotosintetici.
Il raffrescamento dell’aria attraverso masse d’acqua
Proprietà:
Se irraggiata, tende a riscaldarsi più lentamente del terreno, ma rilascia più
lentamente il calore accumulato.
Fenomeni:
-
Attenuazione delle escursioni termiche dell’aria sovrastante la massa
d’acqua rispetto a quella del terreno (ha come effetto la mitigazione
termica);
-
Sfasamento temporale delle dinamiche di scambio termico tra acqua e
atmosfera, e tra terreno e atmosfera (provoca differenza di
temperatura)
Il clima ed il ruolo dei sub-sistemi dell’edificio
Semplificando la classificazione Koppen dei climi e tralasciando i climi polari,
può essere sufficiente in questa sede distinguere i seguenti tipi di clima [V.
Olgyay]:
In zone con un clima molto caldo e secco, la casa deve offrire ombra e
frescura (ventilazione), mentre in zone caratterizzate da un clima piuttosto
freddo, deve proteggere dai venti e mantenere il caldo prodotto dal fuoco
all’interno.
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Clima caldo e
secco
Clima caldo
e umido
Clima
temperato
Guadagno solare Accumulo termico
Caldo umido
Clima
freddo
Involucro
Minimizzare con
Minimizzare l’inerzia
schermature, usarlo termica, strutture
per ventilare
leggere
attraverso opportuni
dispositivi
Caldo secco o Minimizzare con
schermature e
arido
compattezza
dell’edificio, usarlo
per provocare
ventilazione
naturale,
umidificazione e
raffrescamento
evaporativi
Massimizzare il
Temperato
guadagno nel
(umido
periodo freddo,
temperato
minimizzarlo in
caldo)
quello caldo
Massimizzare il
Freddo
(climi boreali o guadagno solare
microtermici)
Riflettere rad. Solare, essere
permeabile alle correnti d’aria,
bassa trasmittanza, elevato
rapporto S/V, sollevare
eventualmente l’edificio dal
suolo
Elevata inerzia, per Riflettere radiazione solare,
ritardare e smorzare essere permeabile alle correnti
la trasmissione
d’aria di notte, ridurre o
all’interno del
umidificare la ventilazione di
guadagno termico
giorno, bassa trasmittanza,
diurno e realizzare un minimo rapporto S/V (forme
accumulo giornaliero cubiche o emisferiche), ridurre
del fresco notturno
le aperture
Può essere utile un
elevato accumulo sia
giornaliero che
stagionale del calore,
se l’edificio è fruito
con continuità
Può essere utile un
elevato accumulo del
calore, se l’edificio è
fruito con continuità
Perseguire una compattezza
media massimizzando la
superficie esposta a Sud (alle
nostre latitudini), con forme
planimetriche allungate in
direzione Est-Ovest
Perseguire una compattezza
media massimizzando la
superficie esposta a Sud
Nei climi mediterranei si è sempre fatto uso di:
- murature massicce per ritardare e smorzare la trasmissione all’interno
del guadagno termico diurno conservare per alcune ore del giorno il
fresco notturno ottenuto mediante ventilazione e radiazione delle superfici
esterne verso il cielo
- coloritura chiara delle superfici edilizie esterne, per limitare il guadagno
termico solare
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- compattezza del tessuto edilizio, con piccole corti e strade strette, in
modo da limitare il guadagno solare
- ombreggiamento con tende e con vegetazione degli spazi urbani
- raffrescamento evaporativo mediante fontane e spruzzatura di acqua su
pareti e tende.
Quasi tutti i sopraelencati meccanismi sono utilizzati anche nei climi aridi,
climi nei quali sono stati sviluppati ulteriori se più sofisticati sistemi di
raffreddamento e umidificazione basati sull’inerzia, l’effetto camino e
l’evaporazione dell’acqua.
Nei climi freddi, quali i climi montani l’architettura spontanea offre l’esempio
della baita alpina, che utilizza i seguenti meccanismi:
- una forma dell’involucro che presenta un’ampia facciata a Sud e ridotte
pareti nelle altre direzioni soprattutto verso Nord, sfruttando la pendenza
del terreno e prolungando le falde della copertura, in modo da
massimizzare il guadagno solare invernale e la protezione dall’effetto
raffreddante dei venti,
- contenimento delle dispersioni mediante: piccole finestre con scuri
anche interni, utilizzo di locali tampone (fienile nel sottotetto, stalla e
deposito al piano terra), accumulo di legna da ardere a ridosso delle
pareti esterne, la debole inclinazione delle falde consente l’accumulo di
neve che costituisce anch’essa uno strato coibente), murature a bassa
trasmittanza: in pietre nella parte bassa ma in legno (tronchi incastrati)
nella parte superiore, con intercapedine riempita di terra e paglia,
- recupero di energia da fonti interne: calore metabolico di occupanti ed
animali della stalla (non isolata dalla zona abitata soprastante), camino
centrale, letti a nicchia nelle pareti.
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