Corso di “Tecniche per le Energie Rinnovabili”
Prof. Giorgio Raffellini
A.A. 2004 - 2005
RACCOLTA DEGLI APPUNTI DELLE LEZIONI
DEL CORSO
(Rivisti dal Docente nel Gennaio 2005)
2° parte
1
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QUADRO CONOSCITIVO DEGLI EDIFICI ESISTENTI DAL PUNTO DI VISTA
ENERGETICO..................................................................................................................................... 3
6.1 Edificio come sistema ................................................................................................................ 4
7
L’involucro edilizio...................................................................................................................... 7
7.1
Principi di ventilazione ........................................................................................................ 8
7.2
I vetri “intelligenti” .............................................................................................................. 9
7.3
Pro e contro delle facciate a doppia pelle .......................................................................... 10
7.3.1
Problemi delle facciate attive ..................................................................................... 10
7.3.2
L’accumulo di calore mediante PCM ........................................................................ 11
8
ESEMPI EUROPEI DI EDILIZIA BIOCLIMATICA .............................................................. 12
9
ESEMPI DI BIO-ARCHITETTURA ........................................................................................ 13
9.1
Manifattura di Herend in Ungheria .................................................................................... 13
9.2
Complesso Est-Gate ........................................................................................................... 13
9.3
Auditorium ......................................................................................................................... 14
10
QUALITA' DELL'ARIA ....................................................................................................... 14
11
Il solare termico ..................................................................................................................... 16
11.1 Sistemi a guadagno solare diretto o indiretto. .................................................................... 16
11.1.1 Serre solari a guadagno diretto e indiretto: ................................................................ 16
11.1.2 Apporto energetico da energia solare: ....................................................................... 19
11.1.3 Apporti energetici dovuti alla radiazione solare incidente sulla superficie interna dei
componenti opachi attraverso i componenti vetrati : calcolo Qsi ................................................ 19
11.2 Impianti solari .................................................................................................................... 26
11.3 Collettori solari .................................................................................................................. 26
11.3.1 Come è fatto e come funziona.................................................................................... 26
11.4 IL SISTEMA DI CIRCOLAZIONE .................................................................................. 28
11.4.1 Circolazione Naturale ................................................................................................ 28
11.4.2 Circolazione Forzata .................................................................................................. 29
11.5 TIPOLOGIE DI PANNELLI SOLARI.............................................................................. 30
11.6 APPLICAZIONE DEL SOLARE TERMICO ................................................................... 32
11.7 Dimensionamento dei collettori solari ............................................................................... 33
11.7.1 Analisi energetica: calcolo dell’energia pro capite necessaria ................................... 34
11.8 Vantaggi ambientali ........................................................................................................... 34
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QUADRO CONOSCITIVO DEGLI EDIFICI ESISTENTI DAL PUNTO DI
VISTA ENERGETICO
Esiste una nuova direttiva europea sul controllo del fabbisogno energetico.
Sostenibilità – il problema ambientale non comprende solo l’energia
(prevalentemente si usa gas e petrolio per riscaldare gli edifici ) , bisogna prestare
attenzione alle risorse in genere.
Risorse :
- acqua ( è necessario un uso accorto )
- materiali ( ecomateriali o materiali di recupero )
- energia ( utilizzo di fonti di energia alternative, attenzione al funzionamento e al
mantenimento degli impianti )
- suolo ( la possibilità di costruire su nuovi terreni è sempre più scarsa )
Principi :
- riuso
- rinnovare
- riciclare
- proteggere l’ambiente
- creare un ambiente salutare
- conservare
Questi principi devono essere messi in relazione con le risorse; ciò deve essere fatto
nella progettazione dei nuovi edifici, ma anche nell’adeguamento di quelli esistenti.
Sono cambiate le regole della progettazione; erroneamente, negli anni settanta, si
consideravano gli edifici indipendenti dall’ambiente esterno, si prendevano modelli
di altre aree geografiche e si trasportavano nella nostra realtà.
Si deve intervenire utilizzando energie rinnovabili e contenendo i consumi, per fare
ciò è necessario conoscere l’edificio, i suoi caratteri, i suoi consumi, il microclima.
Retrofit – controllo degli edifici esistenti, la normativa europea è specifica per questi
edifici e richiede l’emissione di un Certificato di Efficienza Energetica.
Per le energie rinnovabili si hanno problemi legati al costo, al rendimento o
all’affidabilità di sistemi di cui non abbiamo certificazioni perché di nuova
invenzione, si hanno quindi problemi di tipo tecnico e tecnologico. Un altro problema
è la poca piacevolezza al vedersi, per esempio riguardo ai pannelli fotovoltaici o le
centrali eoliche.
La Direttiva Europea 16/01/2003 prescrive :
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- metodologia di calcolo comune da implementare
- applicazione standard minimi comuni
- introduce la certificazione
- crea squadre di controllo
entro cinque anni in tutte le nazioni della comunità europea si dovranno adeguare con
l’emissione del certificato energetico , di rendimento ecc.
Diventa quindi essenziale una corretta lettura dell’edificio considerandolo un unico
sistema con il contesto, si deve prestare attenzioni alle variabili ambientali, alle
caratteristiche dell’involucro, dell’edificio ecc.
6.1 Edificio come sistema
Interazione tra edificio (caratteristiche termiche, struttura, involucro … ) – ambiente
(variabili ambientali, controllo del clima) – impianto (gestione dei servizi) – utente
(condizioni di benessere, fattori chimici e fisici).
Bisogna fare attenzione perché le energie rinnovabili integrano i sistemi
convenzionali, ma non si possono sostituire totalmente a questi.
Variabili da controllare :
- ambientali : soleggiamento, velocità del vento, umidità, precipitazioni, si può
modificare il microclima in modo da migliorare la situazione con barriere per i
venti, presenza di acqua e vegetazione.
-
edificio : caratteristiche termiche, forma ( più o meno compatta ), porosità
(cioè presenza di aperture ), massa termica, isolamento, materiali con cui è
costruito l’involucro , divisione degli spazi interni in verticale e in orizzontale
( la presenza di pareti o mobilio può ostacolare la ventilazione trasversale ).
ELEMENTI A FORTE TRASMISSIONE: Sono zone da fasciare meglio all’esterno,
ma se non è possibile va fatto all’interno anche se si ruba spazio utile all’abitazione:
Solai, Pilastri in c.a., Cordoli c.a.,Travi c.a.
- impianto : è fondamentale una buona scelta dell’impianto quanto un’accorta
gestione ( è importante avere un controllo differenziato di ogni area a seconda delle
necessità; si ha scarsa coscienza degli sprechi negli spazi pubblici. Ad esempio si
potrebbe utilizzare un semplice dispositivo di controllo che accende e spegne le luci
in presenza o meno di persone).
- utente: quanto detto deve comunque tenere presente il comfort visivo, acustico, la
qualità dell’aria, il controllo dei fumi e degli agenti chimici.
I fattori da tenere presente sono molteplici:
Metodologia dell’intervento : raccogliere i dati ed analizzarli, fare un’indagine
energetica.
Metodologia di lettura :
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1° fase : Capire quanto si consuma
- Raccolta dei dati delle fatture
- Letture energetiche locali
- Controllo della potenza energetica manuale
- Calcolo degli indicatori delle prestazioni
2° fase : Valutazione comportamento energetico
- Comparazione delle prestazioni con edifici simili
- Misurazione del progresso nel controllo dell’uso energetico
3° fase : Sopralluoghi e verifiche
- Fare un sopralluogo
- Identificare opportunità di azioni a basso costo
- Individuare le condizioni di esercizio
- Identificare le necessità dell’utente
- Indicare gli interventi preferenziali
4° fase : Opportunità e responsabilità
5° fase : Coinvolgimento del personale (soprattutto negli edifici pubblici)
- Consultare il personale
- Formazione del personale
- Campagna di sensibilizzazione per il risparmio
6° fase : Controllo delle condizioni di esercizio
- Ispezioni periodiche
- Controllo operatività degli impianti
- Operazioni di manutenzione
- Calibratura dei sistemi
7° fase : Monitoraggio energetico
8°fase : Verifica delle tariffe
- Scegliere i contratti di acquisto di energia secondo i criteri di impatto sui consumi
- Requisiti di efficienza energetica nelle scelte dei contratti da stipulare
- Verificare la conformità periodica delle forniture.39
9° fase : Pianificazione
- Pianificare un programma di lavoro per miglioramenti futuri
- Variare l’utilizzo di misure tecniche alternative.
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ENERGY AUDIT: Modello di raccolta di dati sotto forma di formulario e schede.
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L’INVOLUCRO EDILIZIO
La progettazione bioclimatica dell’involucro edilizio segue fondamentalmente due
tendenze:
a)
Involucro opaco iperisolato:
Case a basso consumo energetico
Case passive
PlusenergieHaus
b)
Involucro sempre più trasparente:
Facciate attive
Le “facciate attive”, in cui i ruoli una volta ben distinti della facciata opaca e di quella
trasparente vengono svolti generalmente da un unico tipo di involucro, spesso al
100% vetrato. Esse oltre a costituire uno stimolante elemento compositivo per nuove
e suggestive soluzioni architettoniche, permettono di gestire in modo integrato e
flessibile il compito di isolare l’edificio dal punto di vista termo-acustico, di garantire
l’illuminazione naturale e perfino la ventilazione. La facciata diviene quasi
un’appendice dell’impianto, che si può adattare talvolta in modo “intelligente” alle
variazioni dell’ambiente esterno e dei bisogni degli occupanti.
L’Istituto Belga di Ricerca sugli Edifici (BBRI 2002) ha definito facciata attiva “ una
facciata realizzata con più involucri vetrati, separati da un’intercapedine d’aria
ventilata, in genere dotata di sistemi automatici di regolazione” (facciate a doppia
pelle). Nella definizione compaiono le caratteristiche fondamentali di tali facciate: i
due involucri vetrati e l’aria che scorre fra di essi. Esse possono coprire uno o più
piani, la ventilazione può essere naturale o meccanica. La regolazione, automatica o
semi-automatica, può modificare la strategia di ventilazione e l’apertura/chiusura
degli schermi solari.
est
int
est
int
est
int
est
int
Lama d’aria esterna Lama d’aria interna Immissione d’aria
Estrazione d’aria
(LAE)
(IE)
(LAI)
(IA)
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7.1 Principi di ventilazione
Il principio di ventilazione è una delle caratteristiche distintive delle facciate attive. I
casi principali che si presentano sono:
caso LAE
E’ il classico caso di “free cooling”: l’aria esterna viene utilizzata nei periodi più
caldi per rimuovere il carico solare assorbito dalla parete esterna della facciata. L’aria
risale spontaneamente lungo l’intercapedine per effetto camino se è più calda
dell’aria esterna, le aperture d’ingresso in basso e di uscita in alto dovrebbero essere
comandate automaticamente.
caso LAI
L’aria estratta dall’ambiente viene reimmessa nell’ambiente stesso con carichi solari
aggiunti (fase invernale), oppure inviata in un plenum per essere successivamente
espulsa (fase estiva). In quest’ultimo caso essa funziona di fatto come il sistema
(EA). Nel primo caso, invece, il sistema funziona soltanto se la facciata attiva è in
grado, come un muro Trombe, di assorbire la radiazione solare. Ciò può essere
ottenuto trattando la parete interna in modo da renderla assorbente. L’aria, in
presenza di irraggiamento solare, risale spontaneamente lungo l’intercapedine se è
più calda di quella interna, e può dare contributi energetici.
Caso IA
Prevede che l’aria di rinnovo sia immessa attraverso l’intercapedine. D’inverno essa
viene quindi preriscaldata dall’energia solare preriscaldata prima di essere immessa
in ambiente. L’aria può risalire naturalmente attraverso l’intercapedine, ma la portata
non può essere controllata, perché dipende dalla temperatura esterna.
CasoEA
Se l’aria estratta dall’interno scorre nell’intercapedine prima di venire espulsa la
differenza di temperatura attraverso la parete interna si riduce, fino a rendere
l’intercapedine “semi-adiabatica”. Ciò consente di recuperare buona parte del calore
necessario per il trattamento dell’aria di ventilazione sotto forma di minor dispersione
per trasmissione: la parete funge di fatto da “recuperatore di calore”. D’inverno tende
a raffreddarsi: occorre dunque movimentarla meccanicamente.
Si possono classificare i sistemi di facciata in funzione dei tipi di camere d’aria
configurabili, secondo tre tipologie.
Sistemi a tutta superficie: l’intercapedine è continua e si sviluppa senza soluzione di
continuità lungo tutta la superficie di facciata. La pelle esterna viene sostenuta da
elementi indipendenti dall’involucro interno. Può essere un telaio indipendente dalla
struttura portante dell’edificio, oppure collegato ad esso per mezzo di opportuni
collegamenti. Possibilità di contenere percorsi grigliati ai vari livelli dell’edificio per
la pulizia e la manutenzione
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Sistema a canali: la struttura di supporto della facciata esterna crea attraverso la sua
conformazione fisica, dei canali di intercapedine orizzontali o verticali. L’involucro
esterno viene fissato a quello interno attraverso un telaio comune o elementi puntuali
di collegamento.
Sistema a singoli elementi: sono costituiti dall’aggregazione di celle vetrate
indipendenti tra loro che individuano singole unità di facciata. L’involucro
dell’edificio è caratterizzato dal sequenziale accostamento di celle aventi
intercapedini indipendenti tra loro.
La progettazione termodinamica di una facciata a doppia pelle, indispensabile per
guidare le scelte progettuali, può cercare di definire a priori il comportamento
termofisico e quindi le prestazioni del componente, ma essa risulta sicuramente
complessa e comunque poco gestibile con gli strumenti di calcolo tradizionali che
utilizzano normalmente i progettisti. Le difficoltà che i progettisti incontrano nel
governare molte delle scelte tecniche rimane comunque una criticità anche perchè
abbastanza scarsa risulta la documentazione che le aziende produttrici forniscono
anche per effettuare stime di massima sui possibili vantaggi che, nel caso di un
ipotetico risparmio energetico, possano contribuire non solo a ridurre le emissioni di
gas climalteranti, ma anche a contribuire ad una riduzione dei maggiori costi iniziali
che possono essere compensati dai minori costi di gestione.
7.2 I vetri “intelligenti”
L’impiego di vetri “intelligenti” cioè che modificano le loro proprietà ottiche e solari,
spontaneamente o a comando, consente di estendere ulteriormente la gamma di
prestazioni delle facciate attive.
Tra i principali tipi di tali vetri, la variazione è spontanea per quelli fotocromici al
variare dell’intensità della radiazione solare, e quelli termocromici, al variare della
temperatura, mentre in quelli elettrocromici la variazione è indotta da una debole
corrente elettrica.
Particolarmente promettenti, fra i vetri termocromici, quelli con rivestimento in
biossido di vanadio, che lasciano sempre passare la radiazione visibile, mentre
riflettono i raggi infrarossi quando la loro temperatura sale al di sopra dei 29°C.
Le proprietà riflettenti del biossido di vanadio erano note da tempo, ma il decisivo
passo avanti è stato fatto riducendo la temperatura alla quale il materiale iniziava a
divenire riflettente da 70°C a circa 30°C.
Le proprietà del vanadio sono basate sulla sua capacità di alternare il suo
comportamento come metallo e semiconduttore. Il passaggio fra i due comportamenti
avviene a una temperatura di transizione, il cui valore è stato ridotto incorporando nel
vanadio basse concentrazioni di tungsteno. E’ stato inoltre sviluppato un metodo di
deposizione del rivestimento (APCVD) che può essere impiegato durante la
fabbricazione del vetro, in modo da rendere abbordabile il processo dal punto di vista
economico.
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Il prossimo passo sarà quello di rendere durevole il prodotto e poi di migliorarne il
colore, che è al momento non molto attraente (giallo-verde).
7.3 Pro e contro delle facciate a doppia pelle
Questo tipo di involucro presenta indiscusse qualità: massimizza il guadagno solare
diretto, comprende spazi cuscinetto per la protezione dal freddo, accumula l’energia
solare, favorisce la penetrazione della luce naturale, favorisce la ventilazione
naturale, utilizza l’aria esterna per raffreddare le strutture edilizie nel periodo
notturno (passive cooling), presenta ottime qualità per l’isolamento acustico.
La facciata a doppia pelle, tuttavia , innanzitutto comporta, rispetto ad una parete
opaca termicamente isolata in media nel tempo (giorno-notte), dispersioni termiche
maggiori nella stagione invernale e carichi termici maggiori in estate. Queste uscite
ed ingressi sono pure non facilmente regolabili. Essa inoltre costituisce una delle
principali voci di spesa nel costo di costruzione – o ristrutturazione – di un edificio, e
non sempre, ad un tale onere, corrispondono le prestazioni energetiche ed i riscontri
attesi, in termini di risparmio economico, in quanto, di fatto ad oggi, il sistema risulta
incapace di gestire autonomamente ( in assenza di sistemi impiantistici) i flussi
energetici in relazione alle condizioni di comfort interno, specie in zone climatiche
calde o temperate, oltre a richiedere precisi e complessi interventi di variazione delle
sue prestazioni in relazione al variare delle situazioni climatiche esterne.
I dati di alcuni monitoraggi effettuati su edifici realizzati, hanno evidenziato i limiti
d’impiego dell’involucro in presenza di temperature esterne rilevanti, e l’incapacità
del sistema, in assenza di sistemi impiantistici integrati, di fornire autonomamente
una risposta alla domanda di comfort interno.
Quindi, se da un lato l’uso di involucri a doppia pelle può presentare reali vantaggi
sia dal punto di vista termico, sia dal punto di vista ambientale, dall’altro costituisce
un sistema fortemente condizionato dalle circostanze climatiche , che, al di sotto di
determinate latitudini, possono pregiudicare le qualità prestazionali e, a medio
termine, anche economiche.
7.3.1 Problemi delle facciate attive
Nonostante le loro interessanti potenzialità, molti sono i problemi che si possono
presentare con l’uso di facciate attive. Essi riguardano:
- il rispetto delle norme antincendio, quando l’intercapedine d’aria si estende per
molti piani;
- il progetto e la realizzazione della facciata, che devono essere profondamente
integrati con quello degli impianti e magari delle strutture, ed avere un ottimo sistema
di regolazione automatica
- la possibilità di agevole pulizia e manutenzione
-
la durata dei componenti
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- la non facile possibilità di determinarne le prestazioni, soprattutto nel caso di
ventilazione naturale
- il rischio di formazione di condensa
- la difficoltà di dimostrarne la conformità con le norme sul risparmio energetico
- i problemi termostrutturali
- il fonoisolamento e la propagazione del suono all’interno dell’intercapedine
Resta inoltre il problema di fondo, legato alla quasi totale assenza di inerzia termica
di questo tipo di facciata, un problema che si manifesta soprattutto nel periodo estivo.
A tal proposito vale la pena segnalare pareti dotate di singolari capacità di accumulo
del calore: le pareti realizzate in materiali a cambiamento di fase.
7.3.2 L’accumulo di calore mediante PCM
I cosiddetti Phase Ch’ange Materials (PCM), o materiali a cambiamento di fase sono
solidi a temperatura ambiente, ma quando questa supera i 25-28°C circa essi si
liquefanno accumulando calore (latente di liquefazione) che viene sottratto
all’ambiente. Allo stesso modo, quando la temperatura scende, il materiale si
solidifica e cede calore (latente di solidificazione) all’ambiente; ciò avviene ad
esempio per l’acqua distillata a 0°C.
Essi sono attualmente in fase di studio e di sviluppo come un interessante sistema per
smussare le fluttuazioni giornaliere della temperatura ambiente attraverso la riduzione
dei picchi di temperatura interna. Ciò determina un risparmio di energia, ma
soprattutto consente di ridurre le potenze di picco, contribuendo così in fin dei conti a
ridurre la necessità di nuove centrali elettriche.
Le caratteristiche che un PCM dovrebbe possedere per poter essere impiegato in
edilizia sono:
temperatura di fusione intorno ai 25°C
elevato calore di transizione di fase (liquefazione/ solidificazione)
basso costo
non essere tossico, corrosivo o igroscopico
essere disponibile sul mercato in quantità tali da poter essere incorporato nei
normali materiali edilizi.
Rispondono a queste caratteristiche alcuni composti paraffinici (idrocarburi alchilici
cristallini lineari) ottenibili come sottoprodotti della raffinazione del petrolio o per
polimerizzazione.
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ESEMPI EUROPEI DI EDILIZIA BIOCLIMATICA
Il primo caso è quello dell'ecological residential developement del Kronberg district
ad Hannover , dove si è cercato di costruire edifici efficienti e posizionati in modo da
soddisfare anche socialmente i residenti.
Questo quartiere prevede una grande quantità di verde, e per quanto riguarda il
traffico si vogliono massimizzare i trasporti pubblici ,incentivare lo spostamento su
due ruote e minimizzare quello automobilistico.
Addirittura oltre al supermercato è prevista per l'approvvigionamento alimentare una
fattoria biologica.
Gli standard ecologici sono la costruzione di edifici a basso consumo , l'uso di turbine
eoliche ,pannelli solari, sistemi di controllo del consumo dell'acqua . Ci sono anche
sistemi di recupero delle acque non nere basati su un piccolo depuratore che permette
di riusare l'acqua per usi non igienici come l'irrigazione dei giardini o simili.
L'acqua piovana, inoltre viene tutta raccolta per essere pronta ad usi esterni .
Per quanto riguarda le acque nere , esse dopo aver subito adeguati filtraggi , sono
usate per la fito irrigazione.
I rifiuti sono differenziati al massimo , ed ogni abitazione ha un apposito spazio per i
contenitori sotto piccole tettoie davanti all'ingresso.
Un lato importante per quanto riguarda questo quartiere è quello riguardante
l'informazione, infatti , si vi si fanno molte riunioni i cui contenuti sono resi pubblici
e spesso pubblicati , inoltre il quartiere è molto visitato anche da scuole o semplici
curiosi , con il doppio vantaggio che gli abitanti sono sempre informati sulle norme
da rispettare , e sono in grado di dimostrare ad altra gente come è possibile vivere in
una città più pulita.
Gli infissi delle finestre sono dotati di piccole grate apribili per consentire il ricambio
d'aria e la ventilazione . La stessa forma delle strade è studiata e prevede dei canali
aperti per la raccolta delle acque piovane.
Il quartiere è collegato benissimo con il centro di Hannover grazie ai treni che
passano ogni cinque minuti, e nelle scuole tutte le aule sono collegate direttamente
con l'esterno perché è prevista molta attività all'aria aperta.
La stessa maglia urbanistica del quartiere è molto permeabile e tutt'altro che rigida,
tanto che spesso sono lasciati liberi dei passaggi tra un edificio e l'altro in modo da
facilitare lo spostamento a piedi.
Nei blocchi di edifici si cerca di sfruttare il riscaldamento centralizzato , e dove è
possibile si usa questa soluzione anche per più blocchi , in modo da sfruttare al
meglio il prodotto dell'energia solare.
Questa situazione ideale , comunque, è una sperimentazione e quindi rappresenta un
caso del tutto eccezionale .
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Altri esempi più vicini e anche di respiro molto meno ampio sono alcune soluzioni
progettuali adottate da Mario Cucinella, architetto italiano, molto attento a queste
problematiche.
Nell'edificio "I Guzzini" usa ancora la copertura - frangisole legata ad una parete
vetrata rivolta a sud e dotata di brise soleil . Qui , però la soluzione più particolare
riguarda la ventilazione , infatti l'aria attraversa l'edificio e la corte centrale funziona
come camino , il che permette una buona ventilazione naturale , inoltre ci sono tre
camini di aspirazione dell'aria per eliminare l'aria calda in eccesso . A questo riguardo
è notevole come si possa sfruttare l'ingombro di alcuni elementi di servizio come
appunto dei camini di aspirazione , per creare degli elementi architettonici
caratterizzanti del progetto.
Altri esempi sono la stazione marittima della capitaneria di Otranto , in cui abbina
pensiline leggere ad una struttura chiusa e compatta con molta massa , e un polo
universitario con ampie vetrate verso sud ed una copertura frangisole simile a quelle
descritte sopra.
Occorre evidenziare come nel trasferimento tra l’intenzione progettuale e la
realizzazione, talvolta sorgono problemi (es. surriscaldamenti estivi, ventilazione
limitata, propagazione rumori, ecc.).
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ESEMPI DI BIO-ARCHITETTURA
Esempi di regionalismo climatico
9.1 Manifattura di Herend in Ungheria
Viene bandito un concorso per la risistemazione del complesso, una vecchia fabbrica
di ceramica, facendo attenzione all’aspetto bioclimatico.
Vince il concorso Gabor Turànyi con un progetto in cui il mattone fa da assoluto
protagonista, per il modo in cui è trattato all’interno e per il contrasto, all’esterno, con
le coperture di colore blu violaceo.Un blocco del progetto è sormontato da un grande
camino che ricorda una torre medievale, costruzione comune in Ungheria. Nella torre
ci sono feritoie per l’uscita dell’aria ottenute mediante una disposizione particolare
dei mattoni. Si vedono così , guardando la torre dall’interno , zone più chiare che
corrispondono proprio alle feritoie.
I segni delle prese d’aria sono visibili anche sulla parte esterna della torre. Si ottiene
con questo sistema una forte ed efficace ventilazione.
9.2 Complesso Est-Gate
Il progetto del gruppo Arup in Sud Africa, nello Zimbabwe, è connotato da grossi
camini e da aggetti dei balconi che fungono da schermature. tale progetto risulta,
ovviamente, condizionato dalla latitudine a cui si trova, infatti i pannelli solari,
utilizzati per la produzione di acqua calda, sono integrati nella falda del tetto a lieve
pendenza.
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Solo i lati Est Ovest, quelli corti, saranno interessati dalle radiazioni solari e quindi
sarà necessario un uso massivo della muratura. Le parti vetrate devono essere
inferiori al 25% e opportunamente schermate. L’aspetto negativo della forte massa
termica è il costo, non pare esservi bisogno del condizionamento.
Le prese d’aria per l’aerazione naturale si trovano al livello del primo piano degli
uffici, così l’aria introdotta è di qualità migliore, senza odori e inquinanti ad esempio
del traffico.
Questo tipo di aerazione naturale con camino centrale comune va a discapito
dell’acustica. Si potrebbe migliorare la situazione rivestendo, ad esempio, di
materiale fonoassorbente l’interno del camino. I ricambi di aria previsti sono
dell’ordine di 2 volumi-ora , mentre durante la notte vi sono 7 volumi-ora generando
così il fenomeno del “free-cooling” (raffreddamento gratuito).
All’interno sono state adottate soluzioni riguardanti l’illuminazione tenendo presente
il potere termico delle lampade, sopra ogni postazione di lavoro ci sono diffusori a
basso consumo energetico. Le aperture vetrate permettono la penetrazione della luce ,
ma non del sole perché oltre gli aggetti sono schermate dalla vegetazione.
9.3 Auditorium
Anche questo edificio presenta camini del vento molto grandi, la soluzione
architettonica non risulta delle migliori.
La prima cosa da fare è conoscere il clima di una zona specifica, quindi il contesto
architettonico, culturale e sociale.
10 QUALITA' DELL'ARIA
Il ricambio d'aria richiesto per legge negli edifici pubblici del terziario è in genere di
5 volumi/ora, dunque per garantirlo sono necessarie apposite apparecchiature.
Il problema è che , se un abbondante ricambio d'aria è necessario per il benessere
degli utenti e per mantenere una buona qualità dell'aria, è anche vero che ai fini del
risparmio energetico esso andrebbe limitato al massimo. Infatti quando l'aria interna
riscaldata viene sostituita da nuova aria esterna c'è bisogno di riscaldare anche
quest'ultima , dunque si consuma più energia. Compito del progettista è , dunque ,
quello di raggiungere un equilibrio ottimale tra la necessità di cambiare l'aria e quella
del risparmio energetico.
Ma come si vede se l'aria è inquinata? L'indicatore dell'inquinamento dell'aria interna
è una qualsiasi alterazione della composizione chimica o fisica dell'aria . Con questa
formula si intende dire che è da considerarsi inquinamento la presenza di qualsiasi
sostanza in grado di creare danno o molestia alle persone .
Le cause del disagio possono essere molteplici , alcuni esempi possono essere l'uso di
materiali contenenti sostanze nocive ( vernici , insetticidi ecc.. ), la scarsa attenzione
progettuale alle soluzioni tecniche, l'uso di prodotti che aumentano il carico
inquinante ( locali in cui si frigge o si fuma ..) .
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Inoltre è importante ricordare che nella società moderna la maggior parte delle
persone trascorre circa l'80 - 90% del suo tempo in ambienti confinati , dunque è
importante che l'aria in questi luoghi sia di buona qualità .
Questa definizione è dunque molto vaga . Ad oggi lo standard più usato al riguardo è
quello ASHRAE 62/99, secondo il quale : “la qualità dell'aria è accettabile se non ci
sono contaminanti noti in concentrazione dannosa per la salute secondo quanto
stabilito dalle autorità competenti , o comunque se non più del 20% delle persone se
ne dichiara insoddisfatta “ .
Gli effetti sull'uomo dell'aria inquinata possono andare dall'irritazione di cute o
mucose , ad azioni sul sistema nervoso ( emicranie), ad effetti sensoriali o respiratori ,
fino a veri e propri danni all'organismo.
I principali inquinanti degli ambienti interni sono: il fumo , la formaldeide , i
detersivi, i VOC (composti organici volatili ) , alcuni isolanti ed i prodotti della
combustione.
In genere si dividono gli inquinanti in : chimici , fisici e biologici .
Gli inquinanti chimici sono : il monossido di carbonio (CO, che provoca la morte se
respirato per 15-20 minuti) prodotto dalla combustione, con carenza di ossigeno , in
qualsiasi processo di tale tipo : nei bracieri, negli scaldabagni, nei caminetti , nelle
caldaie.
Il biossido di azoto e di Zolfo (NO2 ed SO2 );
L'ozono O3 ;
Il fumo di tabacco identificato dalla sigla ETS .
Gli inquinanti fisici sono: le fibre minerali , le polveri , il radon ; quest'ultimo è un
materiale radioattivo che si trova spesso nelle rocce vulcaniche, ma di cui si parla
raramente in letteratura e sulla stampa, e si sa abbastanza poco , se non che emette
radiazioni ionizzanti, ed è sicuramente cancerogeno .
Gli inquinanti biologici , invece sono i virus ed i batteri.
Dunque la ventilazione deve essere uno dei requisiti di base del progetto di un
edificio , pur ricercando un equilibrio con le esigenze di risparmio energetico.
Quella naturale è la più difficile da realizzare ed è molto vincolante dal punto di vista
architettonico, essa, inoltre non è costante, in quanto strettamente legata alle
condizioni climatiche .
Infatti la portata immessa dipende dalla velocità del vento , ed il tiraggio naturale alla
differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno , e dalla configurazione geometrica
delle aperture e dalla loro disposizione. C'è da notare anche che pur verificandosi
tutte le condizioni favorevoli , se gli infissi sono a tenuta , come oggi è abituale, non
si garantisce un adeguato ricambio d'aria . Una soluzione a questo problema sarebbe
l'uso di infissi dotati di apposite piccole bocchette apribili in grado di garantire un
minimo ma continuo ricambio con l'esterno.
15
Per quella meccanica, invece sono disponibili vari sistemi in commercio adatti a tutte
le esigenze.
La ventilazione artificiale , prevede la raccolta di aria dall'esterno in luoghi dove sia
la più pulita possibile , per poi soffiarla attraverso ventilatori sulle batterie riscaldanti
o raffreddanti , prima del suo ingresso nei locali . In seguito l'aria interna viene
risucchiata da altri ventilatori che la spingono nuovamente fuori , oppure la riciclano
parzialmente (ricircolo), a seconda delle condizioni di impiego.
La legge in tema di qualità dell'aria può essere prescrittiva ( ad es. vanno cambiati 5
volumi l'ora ) o prestazionale, cioè stabilisce i risultati che si vogliono raggiungere ,
non specificando il sistema con cui raggiungerli .
La ventilazione ibrida è un interazione tra i due sistemi precedenti , e presenta il
vantaggio di poter usare l'uno o l'altro metodo e di regolare la circolazione a seconda
dei casi , limitando i consumi energetici.
Alcuni moderni edifici che adottano questa soluzione dimostrano come l'architettura
ne sia pesantemente condizionata . Uno di essi , infatti è dotato di grandi prese d'aria
rotonde in facciata e di enormi camini sul tetto, così l'aria entra dalle bocche in
facciata per poi uscire risalendo i camini . Questi elementi, di per sé funzionali,
diventano caratteristiche estetiche dell'edificio.
L'orientamento degli ultimi studi sul tema è quello di sostenere gli impianti ibridi per
gestire il ricambio d'aria , visto che sono una soluzione mediata tra i problemi del
risparmio energetico e quelli del mantenimento della qualità dell'aria.
Per ottenere un benessere ambientale è necessario ricambiare l’aria, che però ha
bisogno di essere raffrescata in estate e riscaldata in inverno. Quindi è importane nei
progetti mediare la necessità del ricambio e la spesa ( esempio banca di Foster a
Francoforte).
11 IL SOLARE TERMICO
11.1 Sistemi a guadagno solare diretto o indiretto.
Il fine da perseguire è quello, nel periodo invernale, di riscaldare aria da far circolare
in alcuni ambienti dell’edificio per alleggerire le spese per il riscaldamento, e quindi
diminuire le emissioni in atmosfera.
D’estate vanno predisposte opportune schermature solari e vetri apribili per non
aumentare il carico termico dell’edificio.
11.1.1 Serre solari a guadagno diretto e indiretto:
Di giorno il sole scalda l’aria nella serra che può poi circolare negli ambienti attigui,
e se la serra è a guadagno diretto il sole scalda direttamente le superfici degli
ambienti interni. Di notte l’energia assorbita dall’involucro viene ceduta all’aria
16
ambiente; attenzione però alle superfici vetrate che vanno opportunamente schermate
per non avere eccessive dispersioni termiche.
Ulteriori strategie: avere un pavimento della serra riflettente, di colore chiaro per
massimizzare l’energia disponibile; ne caso di serra a guadagno indiretto avere il
muro entro la serra verso la casa di colore scuro per massimizzare l’energia assorbita.
Fig.3, Fig.4: Sistema a guadagno solare diretto
Fig.5 Serra a guadagno solare indiretto
11.1.1.1
Muri di Trombe:
Consiste in una intercapedine dal lato esterno vetrata e dal lato dell’edificio con un
muro massivo in grado di accumulare calore, di solito il muro è di colore scuro per
massimizzare l’assorbimento di energia solare. Nell’intercapedine l’aria di giorno si
scalda, e sale per convezione verso l’alto, entra a “riscaldare” l’ambiente interno,
dopo aver ceduto calore, l’aria riesce dalle bocchette in basso e torna a scaldarsi
nell’intercapedine. Attenzione alla notte, si innescherebbe la convezione al contrario,
determinando furto di calore all’ambiente interno; vanno disposte delle chiusure
apposite sulle bocchette.
D’estate il muro di Trombe dovrebbe essere aperto in alto per far uscire l’aria calda,
inoltre una tenda esterna può coprire il pannello scuro.
Fig.6: la sporgenza del tetto si può calcolare in modo da fare ombra in estate
17
Fig.7: muro di Trombe , e muro massivo ad accumulo, senza bocchette ricircolo aria.
L’orientamento consigliato è come per collettori solari e pannelli fotovoltaici, il Sud.
Per quanto riguarda l’orientamento in fase di progettazione dell’edificio è bene fare
attenzione alla destinazione d’uso dei locali, è consigliabile disporre a sud soggiorno,
sala da pranzo, cucina…locali che potrebbero sfruttare la serra come loro
ampliamento.
Nello schema sottostante vi sono le orientazioni consigliate per edilizia residenziale.
18
Nel caso di serra solare addossata alle aule di una scuola, si può pensare anche ad un
orientamento S-E, per sfruttare l’irradiazione solare e la luce già dalle prime ore del
mattino.
Dalle norme Uni 10349 e 10379 possiamo ottenere tutti i dati sull’irradiazione solare
giornaliera media mensile, su superfici orizzontali, verticali…variamente esposte N,
S, E, O.
11.1.2 Apporto energetico da energia solare:
N = n° giorni del mese
j = n° delle esposizioni
i = n° delle superfici esposte
q s,j = irradiazione globale giornaliera media mensile incidente sulla sup j.
A e,i = area equivalente della superficie esposta i
11.1.3 Apporti energetici dovuti alla radiazione solare incidente sulla superficie
interna dei componenti opachi attraverso i componenti vetrati : calcolo Qsi
Ae
= Fs Fc Ff g 0.85 A
Fs
= fattore di schermatura dovuto a ostruzioni esterne
Fc
= coefficiente di riduzione dovuto a tende
Ff
= coefficiente riduttivo dovuto al telaio
g = trasmittanza solare del vetro
A = area del componente
0.85 = coefficiente riduttivo
19
11.1.3.1
Per Serre solari:
Vi sono due casi:
a. lo spazio serra è riscaldato oppure c’è un’apertura continua verso l’ambiente
interno, in questo caso
l’area da considerare è l’area tot esterna,
b. esiste una parete di separazione serra – ambiente interno e la serra non è riscaldata,
allora le dispersioni si calcolano col metodo verso ambienti non riscaldati.
“ Dalle serre dell‘800 alla progettazione supertecnologica”
Il calore prodotto nelle serre viene sfruttato già da molto tempo, le serre nascono per
orticoltura e fioricultura, e solo successivamente arrivano all’architettura civile.
20
Fig.8: Serra ’800 nel giardino dell’orticultura a Firenze.
Già in Le Corbusier troviamo le primi inconsapevoli idee “bioclimatiche”: l’uso dei
brise-soleil, l’attenzione alla luce naturale con orientamento studiato dell’edificio,
studi sull’altezza del sole in estate e in inverno, le prime serre solari.
Fig.9,10,11: Progetto Immeubles -Villas, 1922. Le Corbusier
21
Fig.12,13,14 : Unitè d’habitation a Marsiglia,1946 .Le Corbusier.
Oggi la possibilità di sfruttare l’energia solare con serre e muri di trombe offre
un’ampia gamma progettuale, dalla semplice chiusura con doppi vetri di balconi alla
progettazione accurata di sistemi
captanti.
Fig.16: Serra a guadagno solare diretto
Fig.15: Serra a guadagno solare
diretto
22
Fig. 17: Serra a guadagno solare diretto
Fig. 18 , 19 : Serre solari
Fig. 20 , 21 : Tende estive per proteggere la serra.
23
Fig. 22 : Serre a guadagno solare indiretto, a Salisburgo.
Anche i grandi architetti di oggi sfruttano i guadagni solari, e non solo nell’edilizia
residenziale; ne è un esempio Norman Foster nell’edificio per Commerzbank del ’97
a Francoforte. Qui Foster inserisce a più piani, più serre che ospitano vegetazione, e
contribuiscono a “scaldare” l’edificio in inverno.
Fig.23:Pianta tipo del piano con serra.
Fig. 24: Commerzbank
24
Fig. 25 , 26 : giardino nella serra solare .
“Qualche idea”
Si potrebbe cerca di legare due tecniche bioclimatiche per il risparmio energetico :
la serra solare e i pannelli fotovoltaici.
Posizionano dei pannelli fotovoltaico sulla parte superiore della serra, otterrei
dell’energia elettrica e contemporaneamente il calore prodotto dal surriscaldamento
dei pannelli contribuirebbe a scaldare la serra; inoltre i pannelli fotovoltaici creano
nell’ambiente una piacevole “ombra”.
Nel periodo estivo adotterei delle schermature per la serra, e l’aria scaldata dai
collettori non entrerebbe nella serra, ma verrebbe dispersa nell’ambiente esterno.
Fig. 27 , 28 : edificio con la tipologia della serra solare e pannelli fotovoltaici su
copertura.
25
Non solo per edifici totalmente vetrati, anzi meglio per edifici con piccole serre, in
modo da poter meglio controllare il carico termico estivo.
Ipotesi di progetto:
Un edificio residenziale di tipo condominiale, con serre solari su soggiorno,
eventualmente integrando pannelli fotovoltaici sulla serra.
11.2 Impianti solari
Il solare termico per la produzione di acqua calda è ormai prossimo alla competitività
in diverse applicazioni, soprattutto ove è in grado di sostituire non solo combustibile
ma anche impianti convenzionali. E' pertanto possibile conseguire un seppure
contenuto apporto energetico, promuovendo la crescita dell'industria del settore, la
formazione e l'organizzazione di una rete diffusa di installatori - manutentori, nonché
una opportuna incentivazione del mercato. E’ quanto mai necessario promuovere la
diffusione del solare termico, in quanto tale tecnologia, a livello internazionale
sufficientemente matura, trova in Italia, soprattutto al Centro e al Sud condizioni
particolarmente favorevoli, quali l'esposizione climatica, l'idoneità della maggioranza
degli edifici ad uso residenziale (che è caratterizzata da uno-due unità abitative), la
prevalenza nel riscaldamento dell'acqua sanitaria dell'uso dell'elettricità (10.000.000
di scaldabagni elettrici).
11.3 Collettori solari
La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità ( che raggiunge 1000 W/m2
solo nelle giornate di cielo sereno), è la fonte energetica più abbondante e pulita sulla
superficie terrestre.
La tecnologia per l’utilizzo termico dell’energia solare ha raggiunto maturità ed
affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e “puliti” per riscaldare
l’acqua, nell’uso domestico e produttivo (es. allevamenti). Le tecnologie costruttive
dei collettori hanno assicurato una buona affidabilità nel tempo, ed il loro
rendimento è aumentato di un buon 30% nell’ultimo decennio, rendendo
economicamente competitive varie applicazioni nell’edilizia, nel terziario e
nell’agricoltura. L’applicazione più comune è il collettore solare termico utilizzato
per scaldare acqua calda sanitaria destinata a vari usi.
11.3.1 Come è fatto e come funziona
Il pannello solare serve a captare l’energia che giunge dal sole sulla Terra e ad
utilizzarla per produrre acqua calda ad una temperatura che può raggiungere anche
60-70°C. L’acqua calda prodotta, accumulata in apposito serbatoio, potrà essere
utilizzata per gli usi sanitari di casa, come pure per riscaldare le piscine o servire le
esigenze di alberghi, scuole, camping, impianti di balneazione, ed anche in
agricoltura (allevamenti, essiccazione, ecc.)
In esso si distinguono le seguenti parti principali :
26
il pannello solare vero e proprio che permette di trasformare l’energia solare
in calore;
il serbatoio di accumulo dell’acqua calda (detto anche boiler o
accumulatore).
1. Il pannello solare più utilizzato è quello vetrato che risulta essere così costituito:
un assorbitore dell’energia solare, costituito da una lastra simile ad una piastra
radiante (che può essere in acciaio o rame, verniciata in modo che sia il più
possibile assorbente), all’interno della quale è inserita una serie di piccoli canali in
cui scorre il liquido del circuito primario destinato ad essere riscaldato. Tale fluido
è normalmente acqua addizionata con liquido antigelo in modo da resistere al
freddo invernale senza congelarsi, e spaccare, con l’aumento di volume, parti
dell’impianto.
- una lastra di vetro, il più possibile trasparente , ma meccanicamente
resistente (a vento, grandine, ecc..) , posta superiormente all’assorbitore, che
permette il passaggio dei raggi solari, creando l’effetto serra. L’assorbitore,
scaldandosi, emette energia sotto forma di radiazione infrarossa: ma il vetro,
nei confronti di queste radiazioni, limita la dispersione all’esterno perché è un
elemento circa opaco (questo è il cosiddetto EFFETTO SERRA),
-
nella parte retrostante del pannello è inserito un isolante termico (in fibra di
vetro o in poliuretano espanso, privo di CFC), in grado di ridurre decisamente
le dispersioni di calore dal lato non attivo ,
-
il pannello è chiuso posteriormente da una scocca, spesso realizzata in
lamiera o in plastica. Il tutto (vetro, assorbitore e fascio tubero, isolante termico
e scocca posteriore) è tenuto assieme da uno chassis che assembla le parti e
conferisce al pannello robustezza e stabilità.
2. Il serbatoio di accumulo dell’acqua contiene al suo interno uno scambiatore di
calore ( a fascio tubiero o ad intercapedine, negli imp. estesi anche a piastre) nel
quale circola il liquido del circuito primario che, cedendo il calore ricevuto dal
sole, riscalda l’acqua contenuta nel serbatoio. Quindi nel serbatoio (che è ben
coibentato al fine di conservare il calore) si trovano due circuiti idraulici separati:
quello primario del pannello, in cui circola il liquido riscaldato dal sole e quello
secondario in cui circola acqua sanitaria e che è collegato all’impianto idraulico di
utilizzo.
La dimensione ottimale dell’accumulatore deve consentire di soddisfare al
meglio le esigenze suddette, che però dipendono dalle condizioni climatiche, dal
tipo di richiesta dell’energia e da condizioni di carattere economico. Se si tengono
presenti sia gli aspetti tecnici (clima esterno, efficienza collettore,ecc..) , che
economici il campo dei valori ottimali è generalmente compreso tra i 50 e i 100
litri per m2 di area captante.
27
11.4 IL SISTEMA DI CIRCOLAZIONE
Il sistema di circolazione trasferisce calore
dal pannello verso il luogo di accumulo o
di utilizzo.
In alcuni sistemi l’acqua circola tra il
pannello e il serbatoio di accumulo per
mezzo di una pompa , mentre in altri, di
piccola estensione, la circolazione è
attivata naturalmente per l’effetto di
convezione naturale (termosifone). Nei
sistemi a circolazione naturale, l’acqua
riscaldata nel pannello e sale nel serbatoio
di accumulo, venendo sostituita dall’acqua
fredda che scende nel serbatoio. I sistemi
con pompa vengono usati in tutta Europa,
mentre quelli a circolazione naturale
vengono usati principalmente nei climi più
calde, ad esempio nell’ Europa meridionale.
Il serbatoio coibentato accumula calore finché è necessario. Il pannello e il
serbatoio possono essere inglobati in una singola unità, tali sistemi sono
chiamati “sistemi integrati” o “monoblocco” (vedasi Figura sopra).
11.4.1 Circolazione Naturale
La circolazione naturale è un processo molto semplice. Tutti i sistemi a
circolazione naturale si basano sul principio che il fluido del circuito primario,
riscaldato dal sole, si dilata, diventa più leggero e tende a salire verso l’alto,
provocando un movimento naturale del fluido medesimo. Nei sistemi a
circolazione naturale il serbatoio di accumulo dell’acqua deve essere sempre
posizionato più in alto del pannello ed a breve distanza dal medesimo, con una
leggera pendenza delle tubazioni di collegamento in modo da facilitare il
trascinamento e l’espulsione dell’aria.
I vantaggi principali del sistema a circolazione naturale sono: nessun consumo
energetico per far funzionare il sistema nella fase di captazione solare; equilibrio
della velocità del fluido in funzione della differenza di temperatura e della
differenza di altezza; semplicità.
28
11.4.2 Circolazione Forzata
I sistemi a circolazione forzata sono
quelli in cui il liquido del circuito
primario viene spinto da una pompa
(vedasi Figura accanto). L’installazione
dei sistemi a circolazione forzata è
necessaria in tutte le situazioni in cui il
serbatoio di accumulo dell’acqua non
può essere posizionato ad un livello più
alto dei pannelli solari. Essi sono
costituiti da collettori solari, boiler da
installare in vani tecnici e pompa
controllata da una centralina nel
seguente modo:
A) prima che sorga il sole i collettori
non sono irradiati e la pompa è ferma,
B) quando il sole splende la temperatura
del fluido in uscita dai collettori supera
quella del boiler e al comando della
centralina la pompa mette in circolo il
fluido termovettore trasferendo il calore
dai collettori all’acqua del boiler.
C) Dopo una giornata soleggiata il
boiler, avendo accumulato l’energia captata, è pieno di acqua calda. Se il
soleggiamento è insufficiente si alternano periodi di funzionamento e pausa
della pompa proporzionalmente alla potenza istantanea dell’irraggiamento
solare.
D) Al tramonto il fluido all’uscita dei collettori si raffredda e la pompa si ferma.
L’acqua calda contenuta nel boiler rimane così disponibile all’utenza.
Questi sistemi sono dotati di boiler a doppio scambiatore: quello solare posto
inferiormente e quello d’integrazione posto superiormente. La stratificazione
dell’acqua calda superiormente al boiler consente di sfruttare al meglio l’energia
solare grazie alle basse temperature di ritorno ai collettori. E’ indispensabile in
questi casi vi sia una valvola di non ritorno , per evitare la circolazione inversa,
naturale per differenza di temperatura del liquido e quindi di densità, cioè che
durante la notte non si inneschi una circolazione fra il serbatoio caldo ed il
collettore avente in tal caso funzione di dispersore di calore.
Inoltre,all’occorrenza,la caldaia riscalda del delta T sufficiente una limitata
quantità di acqua.
Generalmente i boiler superiori a 1000 litri sono dotati di tre scambiatori di cui
due utilizzati per lo scambio dell’energia solare ed uno come integratore caldaia.
29
11.5 TIPOLOGIE DI PANNELLI SOLARI
I pannelli solari possono essere raggruppati in alcune tipologie principali:
scoperti (senza vetro), vetrati (o piani) e sottovuoto (o con tubo evacuato).
Pannelli scoperti: Questi sono semplici ed economici, sono formati da tubicini neri
in propilene, neoprene, pvc o metallo attraverso i quali
circola l’acqua (vedasi Figura accanto). Non c’è
isolamento perciò le temperature sono limitate a circa 2030 °C al di sopra della temperatura dell’aria. Questi
pannelli sono ideali nei climi miti, per utilizzi dove sono
richieste temperature moderate, come per esempio il
riscaldamento estivo delle piscine, la produzione nella
stagione estiva di acqua calda sanitaria presso strutture
turistiche alberghiere, quali camping, stabilimenti balneari,
alberghi rivieraschi, tutti posti nel Centro-Sud Italia.
Pannelli vetrati: Questo tipo di pannello, del tipo più utilizzato, consiste (vedasi
Figura sottostante) in una scatola piana
termicamente isolata verso i fondo, con un
lato superiore in vetro trasparente o plastica.
La scatola contiene una lastra nera piatta che
assorbe l’energia solare e che viene
trasmessa al fluido che trasporta il calore
(acqua o aria). Il vetro sopra e l’isolante
sotto la lastra riducono le perdite di calore e
la lastra assorbente può avere un trattamento
selettivo per migliorare la sua prestazione.La maggior parte dei pannelli solari
piani produce temperature fino a 70 °C al di sopra della temperatura ambiente ed è
adatta per il riscaldamento dell’acqua e dell’ambiente.
I pannelli vetrati, pur nella grande varietà di proposte sul mercato, possono essere
distinti essenzialmente in tre categorie:
- a superficie selettiva: in cui la superficie
dell'assorbitore di calore viene sottoposta ad uno
specifico trattatamento con un prodotto selettivo
all'infrarosso, che trattiene il calore del sole e
riduce la riflessione, potenziando le analoghe azioni
del vetro soprastante. Hanno un ottimo rendimento
anche durante la stagione invernale e il loro
impiego è consigliato quando si prevede di
utilizzarli tutto l'anno. Questa tecnologia permette
di ottenere dai pannelli un maggior rendimento ma,
ovviamente, il loro costo è più elevato.
30
- non selettivi : in cui la superficie dell'assorbitore di
calore non subisce nessun trattamento specifico, ma viene
semplicemente verniciata in nero, per meglio trattenere i
raggi solari. Il loro rendimento è inferiore rispetto a quelli
selettivi ed il loro impiego è particolarmente indicato per
le seconde case, utilizzate nei mesi estivi, e per le zone
con abbondante insolazione. Ovviamente il costo è
inferiore rispetto ai pannelli a superficie selettiva.
- con serbatoio integrato: in questo tipo di collettori l'assorbitore di calore ed il
serbatoio di accumulo coincidono e l'energia solare scalda direttamente l'acqua
accumulata. Sono molto comodi, compatti, economici e, essendo formati da un unico
blocco, di facile trasportabilità ed installazione. Il loro rendimento è inferiore ai casi
precedenti ed è sconsigliato nelle zone dall'inverno lungo e rigido.
Pannelli sottovuoto: Questi pannelli sono composti (vedasi Figura accanto), da una
schiera di tubi posti sottovuoto parziale in vetro,
ognuno contenente un assorbitore (generalmente una
lastra di metallo nero) che capta l’energia solare e la
trasferisce ad un fluido che trasporta il calore. Grazie
alle proprietà isolanti dello spazio a vuoto parziale, le
perdite di calore sono molto basse e si possono
raggiungere anche temperature fino a circa 100 °C al
di sopra della temperatura dell’ambiente. Perciò questi pannelli sono
particolarmente adatti per utilizzi a temperature più elevate. Hanno inoltre la
caratteristica di avere una resa istantanea, nei periodi autunnali e invernali, più alta
rispetto ai collettori solari piani.
Esistono diversi modelli sul mercato di vari produttori. La tecnologia in generale
li rende a bassa capacità termica, assicura una conduttività molto rapida e quindi
trasferimenti di calore rapidi ed elevati. Il vuoto nel tubo di vetro, consente un
ottimo isolamento per un collettore solare, e protegge la piastra assorbente dalle
condizioni atmosferiche avverse.
31
11.6 APPLICAZIONE DEL SOLARE TERMICO
Negli ultimi anni sono state oggetto di ricerca le possibili applicazioni dell’energia
solare termica e ad oggi gli usi più riusciti e diffusi sono:
Produzione di acqua calda sanitaria per uso domestico. Il riscaldamento
dell’acqua calda per docce, bagni e tutti i possibili usi domestici e industriali,
costituisce il principale uso dei pannelli solari. Si tratta soprattutto di piccoli
sistemi con 4-6 m2 di superficie captante montata sul tetto ed un accumulo di
200-300 litri. Nel Nord Europa l’accumulo si trova di solito nel vano caldaia e
la circolazione del fluido caldo dai pannelli d’accumulo avviene per mezzo di
una piccola pompa elettrica (50W). Nell’Europa del sud si utilizzano spesso i
boiler sul tetto in cui la circolazione avviene senza bisogno della pompa ma per
circolazione naturale (effetto termosifone).
Riscaldamento dell’ambiente: il riscaldamento degli ambienti può essere
sostenuto dall’impianto solare, ma solo in climi molto miti. I sistemi possibili
sono diversi, principalmente suddivisi in impianti funzionanti con liquido a base
di acqua ed impianti funzionanti ad aria. Gli impianti ad acqua sono costituiti da
collettori solari piani sul tetto e boiler di accumulo nei vani tecnici. Sono molto
simili agli impianti di produzione di acqua calda a circolazione forzata, ma
hanno dimensione da 10 a 20 volte maggiori, e difficilmente risultano
proponibili economicamente. Gli impianti ad aria calda sono costituiti da
pannelli solari in cui circola l’aria e che con la spinta dei ventilatori viene fatta
circolare negli ambienti da riscaldare. Il funzionamento dei collettori ad aria è
pressochè lo stesso di quelli ad acqua, ma i parametri di dimensionamento
variano sostanzialmente, in quanto l’aria scambia calore con maggiore difficoltà
dell’acqua. Occorre perciò assicurare all’aria un tempo di permanenza più lungo
all’interno del collettore; per questo motivo il percorso di solito è tortuoso, per
rallentare il flusso dell’aria.
Riscaldamento piscine: questo utilizzo è diffuso in tutta l’Europa, soprattutto
per il riscaldamento di alcuni gradi delle piscine scoperte con l’utilizzo di
semplici pannelli scoperti. Si tratta di tubicini in propilene, neoprene, PVC di
colore nero, posizionati sul tetto o latra superficie esposta al sole, collegati
direttamente nel circuito di filtraggio dell’acqua. La spesa è contenuta ed i
vantaggi economici sono considerevoli. Le piscine coperte invece richiedono il
riscaldamento tutto l’anno, perciò possono essere dotate di collettori solari
vetrati , soprattutto rivolti alla produzione di acqua calda per le docce, con uno
scambiatore di calore che viene inserito nel sistema di filtraggio dell’acqua.
Altri usi: sono molteplici gli usi possibili delle tecnologie solari per uso
termico ad esempio sono utilizzati nel campo dell’agricoltura (essiccazione,
acqua calda per allevamenti vari), dell’industria, ed anche esistono alcuni
esperimenti per la refrigerazione solare.
32
11.7 Dimensionamento dei collettori solari
Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di
prestazioni. Per di più, essendo l’energia solare una fonte aleatoria sulla superficie
terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente considerati integrativi
rispetto alle tecnologie tradizionali; essi vanno considerati quindi capaci di fornire
direttamente solo parte dell’energia necessaria all’utenza, energia che altrimenti
dovrebbe essere prodotta dalla caldaia tradizionale. Per calcolare le dimensioni del
pannello solare da installare si può effettuare una prima valutazione partendo dal
numero dei membri della famiglia: si stima, infatti, che mediamente il consumo di
acqua calda sia pari a 30-50 litri al giorno per persona. Altri fattori determinanti sono
la zona geografica , le condizioni climatiche, la radiazione solare giornaliera locale.
Come valore indicativo, in prima approssimazione per l’Italia si può considerare
una produzione media annua di acqua alla temperatura di 40°C, pari a 60-100 litri al
giorno, per ogni metro quadro di pannello installato, dove il valore minore è relativo
a località di pianura del Nord, e quello massimo per località di pianura del Sud.
La temperatura dell'acqua raggiungibile nelle giornate di pieno sole è di circa 40°C
in inverno e di circa 60-80°C in estate per i pannelli vetrati.
La superficie captante dei collettori solari da installare in un dato edificio dipende
in sostanza da diversi fattori ed in particolare:
- dalla località in cui verrà installato l'impianto.
- dal numero di persone che lo utilizzano e dal periodo dell'anno ;
- dal livello delle temperature a cui s'intende sfruttare l'impianto stesso.
Orientativamente si può tener conto del seguente schema sintetico di
dimensionamento:
ZONA CLIMATICA DI
RIFERIMENTO
Milano
R
Roma
SUPERFICIE COLLETTORI
( m2 / persona)
INCLINAZIONE
COLLETTORE
(gradi)
1 – 1,2
45 – 50
0,7 – 0,8
41 – 45
Palermo
0,6 – 0,65
38 - 40
dati calcolati sulla base di un consumo giornaliero di 60 -70 litri d’acqua a 45°C per
persona.
La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare
termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo.
A Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo
fattore non supera il 65%. Con il crescere delle dimensioni dell’impianto, cresce il
fattore di copertura del carico termico, ma la relazione tra il costo dell’energia e
l’energia prodotta resta lineare fino al 55-60%. Superato questo valore, il costo
continua ad aumentare linearmente con le dimensioni dell’impianto, mentre l’energia
prodotta aumenta meno rapidamente, il che si traduce in un maggiore costo dell’unità
di superficie del collettore. E’ per questo motivo che un collettore solare termico per
33
la produzione di acqua calda sanitaria dimensionato correttamente viene progettato
per soddisfare circa i 2/3 (65%) del fabbisogno termico.
In ambito urbano l’acqua calda sanitaria è per la maggior parte dei casi prodotta
con scaldabagni elettrici o caldaie a gas. La produzione di acqua calda sanitaria, con
l’uso di energia elettrica dissipata dalla resistenza presente nello scaldabagno, risulta
un processo costoso dai punti di vista energetico, ambientale ed economico, se
confrontato con la produzione di acqua calda con caldaie a gas. L’introduzione
aggiuntiva di un collettore solare termico, che sostituisca parte della produzione di
calore così ottenuto, comporta benefici ancora maggiori. Si osserva che nel passaggio
dalla soluzione con scaldabagno elettrico a quella con caldaia a gas integrata da
collettori solari, il consumo energetico pro capite passa da 4,93 a 0,87 kWh. E’ il caso
più interessante, dunque, che porta ad una riduzione dell’82% del consumo
energetico, a parità di servizio reso.
11.7.1 Analisi energetica: calcolo dell’energia pro capite necessaria
In media, in Italia si consumano circa 50 litri di acqua calda sanitaria al giorno pro
capite, alla temperatura di 45°C si può calcolare il quantitativo pro capite Q di
energia termica necessaria:
Q = G x cs x (Tu-Ta) = 50l x 1 Kcal/l°C x 30°C = 1500 Kcal
Avendo indicato con :
G, massa d’acqua da scaldare
Cs, calore specifico dell’acqua
Tu, temperatura di utilizzo, pari a 45°C, Ta, temperatura acqua dell’acquedotto presa
a 15 °C
11.8 Vantaggi ambientali
Un primo indicatore di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione può
essere ritenuta la quantità di anidride carbonica mediamente immessa nell’ambiente
per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda sanitaria. Nel corso dell’analisi
energetica, si è stimato che il fabbisogno di energia elettrica di un’utenza
monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda sanitaria con uno scaldabagno
elettrico è pari a 7,74 KWh (elettrici)/giorno. In Italia, per produrre 1 KW elettrico, le
centrali termoelettriche emettono nell’atmosfera in media 0,58 Kg di anidride
carbonica (CO2), uno dei principali gas responsabili dell’effetto serra (Dati ENEL
1999). Pertanto, lo scaldabagno in esame è indirettamente responsabile
dell’emissione nell’atmosfera di:
0,58 Kg di CO2 / KWh (elettrici)/giorno = 4,5 Kg di CO2 / giorno.
Questo significa che, per la sola produzione di acqua calda sanitaria, utilizzando lo
scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell’ambiente 4,5 Kg di
CO2 (con media pro capite di 1,125 Kg di CO2 / giorno).
Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,25 Kg di CO2
per ogni KWh termico; una famiglia di 4 persone dà quindi origine alla seguente
produzione giornaliera di anidride carbonica:
0,25 Kg di CO2 x 6,97 KWh (termici) = 1,74 Kg di CO2 / giorno
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con una media pro capite di 0,435 Kg di CO2 / giorno.
Nel caso di impianti ibridi solare / gas, ossia impianti solari posti ad integrazione
della cadaia a gas, assicurando lo stesso comfort durante tutto l’arco dell’anno, è
possibile risparmiare, a Roma, il 60% del consumo di gas: la stessa famiglia produrrà,
allora, giornalmente 0,69 Kg di CO2, con una media pro capite di 0,174 Kg di CO2 /
giorno.
Il ricorso all'energia solare per la produzione di acqua calda sanitaria o per
supportare il riscaldamento ambientale ha come principale giustificazione
considerazioni di tipo energetico ad ambientale, ma esse ovviamente non
basterebbero da sole se non fossero supportate da considerevoli opportunità di
risparmio economico.
A rendere ancora più conveniente economicamente l'installazione di collettori
solari concorrono una serie di incentivi di tipo fiscale offerti dallo Stato ed in
particolare:
- IVA ridotta al 10%;
- Contributi a fondo perduto (30%)
- detrazione IRPEF pari al 36% del costo dell'intervento .
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