orientamento ottimale per edifici ad uso ufficio dotati di

A. Carbonari, G. Rossi, P. Romagnoni
1
ORIENTAMENTO OTTIMALE PER EDIFICI AD USO UFFICIO
DOTATI DI ELEMENTI OMBREGGIANTI MOBILI
Arch. Antonio Carbonari (*), Ing. Giancarlo Rossi (*), Ing. Piercarlo Romagnoni (*).
(*)
Dipartimento di Costruzione dell’Architettura
Istituto Universitario di Architettura di Venezia.
Tolentini 191, S.Croce 30135 Venezia
tel. : + 39 41 257 1303, + 39 41 257 1315, fax : + 39 41 257 1313,
e-mail : [email protected], [email protected], [email protected]
SOMMARIO
Nelle attuali tipologie edilizie per uffici si sta diffondendo l’uso di dispositivi ombreggianti esterni,
fissi o mobili, per il controllo della radiazione solare che incide sulle ampie superfici vetrate. In questo
articolo sono svolte delle considerazioni sull’orientamento energeticamente ottimale del corpo di
fabbrica in relazione al tipo di dispositivo ombreggiante adottato e, qualora si tratti di un dispositivo
mobile, alla sua logica di controllo. Per orientamento ottimale si intende quello che minimizza la
domanda annua totale di energia primaria relativa agli usi che sono influenzati dall’orientamento:
climatizzazione ed illuminamento artificiale. L’analisi é stata condotta per mezzo di simulazioni
computerizzate con passo orario per giorni tipo mensili, esaminando coppie di moduli-ufficio
dall’affaccio opposto. I moduli-ufficio considerati hanno una sola parete esterna interamente vetrata.
La simulazione ha compreso anche le azioni necessarie al mantenimento delle condizioni di comfort
termico e luminoso nel locale. Sono stati esplorati gli effetti di tre diverse configurazioni o logiche di
controllo degli elementi ombreggianti in tre climi italiani, del Nord, del Centro e del Sud.
1. INTRODUZIONE
Le attuali tipologie edilizie per uffici sono caratterizzate da ampie superfici vetrate, che richiedono la
presenza di dispositivi ombreggianti, fissi o mobili, per il controllo della radiazione solare entrante nei
locali. Quest'ultima varia sensibilmente in funzione dell'orientamento della facciata.
Normalmente si dà per acquisito che l'orientamento ottimale dal punto di vista energetico per l'asse
maggiore di un edificio che adotti sistemi solari passivi, sia quello Est - Ovest; in quanto massimizza il
soleggiamento invernale sulla facciata Sud, dove é collocato l’affaccio principale dei locali. Se invece
si considera una tipologia edilizia a due affacci principali dei locali, e si analizzano i fabbisogni
energetici sia invernali che estivi, il vantaggio dell’orientamento anzidetto diventa tutt'altro che
scontato. Inoltre l’asimmetria dell’orario d’ufficio rispetto al mezzogiorno, le temperature esterne più
alte nel pomeriggio per l'inerzia termica ambiente esterno e l’inerzia termica delle masse edilizie
rendono semplicistico indicare come ottimale per questa tipologia un orientamento Nord - Sud.
Nel presente lavoro vengono svolte considerazioni sull'orientamento ottimale dell'edificio in relazione
al tipo di dispositivo ombreggiante adottato e, qualora questo sia costituito da elementi mobili, alla
sua logica di controllo.
Si è definito ottimale l'orientamento che minimizza la domanda annua di energia primaria per
climatizzazione ed illuminazione artificiale nel rispetto delle condizioni di comfort termo-igrometrico
e luminoso. Per la ricerca di tale valore sono stati considerati solo i termini che variano con
l’orientazione o con la logica di controllo delle schermature ovvero il bilancio energetico è stato
limitato ai termini riguardanti il calore sensibile.
L'analisi è stata condotta, per mezzo di simulazioni computerizzate, su un tipico locale ad uso ufficio
con un'unica parete esterna interamente vetrata sul lato più lungo, le altre 5 superfici sono state assunte
adiabatiche. Le dimensioni del locale sono 6 m per 5 per 3.3 di altezza, al suo interno sono presenti
due postazioni di lavoro.
Il locale è collocato in un edificio dalla planimetria allungata, ad ogni piano un corridoio centrale
serve i locali le cui finestrature si affacciano sui lati più lunghi dell'edificio. La Figura 1 mostra la
planimetria di un piano tipo, mentre la Figura 2 mostra una sezione del modulo - ufficio.
La parete esterna vetrata é composta, procedendo dall’esterno all’interno, come segue: elementi
2
56° Congresso Nazionale ATI
ombreggianti mobili profondi 0.6 m e distanti 0.3 metri dal vetro esterno, doppia vetratura con lastre
spesse 4 mm e 6 mm di intercapedine, tendina interna diffondente.
L’edificio é costruito con tipica struttura portante in c.a., le partizioni interne sono in laterizio forato di
0.08 m di spessore con 0.02 m di intonaco su ogni lato. I solai sono in latero cemento spessi 0.3 m.
Un'indicazione sull'entità dell'inerzia termica del locale è data dalla capacità termica frontale di ogni
suo elemento di confine, essendo questo parametro definito come:
n
C = ∑ ρi ci s i
i= 1
Dove n è il numero degli i strati costituenti l'elemento, mentre ?i , ci ed si sono rispettivamente la
densità [kg/m3 ], la capacità termica [kJ⋅kg-1⋅K-1] e lo spessore [m] di ogni i-esimo strato.
Il suo valore è stato assunto pari a 136 kJ⋅m-2⋅K-1 per le partizioni interne, 377 per i solai e 12.6 per la
vetratura; ma nei primi due casi tenendo conto dell’adiabaticità sono stati considerati solo gli strati
corrispondenti a metà delle strutture citate.
Il calcolo dell’energia scambiata ed accumulata dalle strutture, in regime dinamico, è realizzato con un
modello di calcolo, monodimensionale alle differenze finite, nel quale ogni strato reale è suddiviso in
più strati elementari aventi spessore non superiore circa 4 cm.
Il carico termico del locale, comprensivo delle dispersioni attraverso la parete vetrata e dei ricambi
d’aria richiesti (40 m3 ora-1 persona -1), é di 200 W⋅K-1, il Cg é pari a 2.03 [W⋅m-3⋅K-1].
Si é ipotizzato un impianto misto ad aria primaria e ventilconvettori.
Il parco lampade ipotizzato é costituito da lampade fluorescenti ed é diviso in due zone di controllo:
due fasce parallele alla superficie vetrata, con regolazione continua del flusso luminoso per ogni zona
mediante alimentatori elettronici con uscita ad alta frequenza.
Fig. 1 – Planimetria del piano tipo dell’edificio esaminato
Sono state studiate e confrontate fra loro tre possibili configurazioni dei dispositivi deputati al
controllo della radiazione solare:
a) nessun elemento ombreggiante esterno (configurazione di riferimento),
b) alette esterne fisse a 45°,
c) alette mobili controllate automaticamente secondo una logica differenziata a seconda delle stagioni,
che tende a minimizzare in ogni periodo dell'anno la domanda totale di energia relativa alla
climatizzazione; in quanto si é riscontrato essere questa la voce di bilancio energetico più rilevante
nei climi considerati (Carbonari e Rossi, 2000).
In quest'ultimo caso l'inclinazione delle alette è controllata automaticamente in modo tale da lasciare
entrare in ogni passo orario solo la parte di radiazione utilizzabile ai fini del riscaldamento del locale,
questa viene precalcolata con un’apposita simulazione. Il suo valore ovviamente è nullo nei periodi in
cui non c'è carico da riscaldamento, in tal caso la radiazione viene totalmente intercettata
A. Carbonari, G. Rossi, P. Romagnoni
3
In tutti e tre i casi è prevista la possibilità di abbassare delle tendine diffondenti interne nei momenti in
cui viene riscontrata la possibilità di fenomeni di abbagliamento.
Fig. 2 – Sezione del modulo ufficio
2. ORGANIZZAZIONE DEL CALCOLO
In ogni clima e per ogni configurazione si é dapprima esplorato l’andamento dei consumi del singolo
modulo ricercando l’orientamento ottimale, quindi si é calcolato per ogni orientamento dell’edificio il
valore medio del consumo annuo totale di due moduli ufficio dall’affaccio opposto. Il confronto fra i
vari orientamenti é basato su quest’ultimo valore che si assume essere indicativo dei consumi
dell’edificio che sono influenzati dall'orientamento: climatizzazione e illuminazione artificiale.
La ricerca dell'orientamento ottimale é partita dal confronto dei seguenti cinque orientamenti dell'asse
maggiore della pianta dell'edificio: N-S, E-O, NE-SO, NO-SE ed asse eliotermico. L'orientamento di
quest’ultimo, studiato per gli edifici abitativi nell'800 e riproposto dagli architetti del movimento
moderno negli anni venti del 900, è spostato di 19° rispetto alla direzione N-S verso la direzione NESO (Rey et al, 1928).
Una volta individuato fra questi quello caratterizzato da un minor consumo energetico si sono esplorati
gli effetti di variazioni di pochi gradi intorno allo stesso, sia in una direzione che nell'altra.
Per motivi di omogeneità nel calcolo dei fattori di vista relativi al cielo e degli ombreggiamenti, si é
mantenuta la presenza delle alette in tutti gli orientamenti, anche quelli prossimi al Nord, e con tutte le
configurazioni degli elementi ombreggianti. Nei casi in cui le alette erano inutili se ne é simulata
l’assenza disponendole in modo da penalizzare il meno possibile la radiazione, anche diffusa,
incidente sulla vetratura Nel caso della configurazione «a» l’assenza di elementi ombreggianti esterni
é stata simulata allineando sempre le alette con i raggi solari. In questo modo si é evitato di riscontrare
salti bruschi nei valori calcolati delle suddette grandezze al variare dell’orientamento.
Il limite principale del metodo seguito risiede nel fatto che non tiene conto del contesto urbano, ovvero
delle ombre portate dagli edifici circostanti. Per tenerne conto bisognerebbe considerare tutti i moduli
ufficio presenti nell’edificio, dal momento che l’ombreggiamento é diverso per ognuno di essi,
calcolarne la domanda di energia e sommarla in ogni passo di simulazione. Ma l’attuale durata delle
elaborazioni è di circa 11 ore per ogni caso-studio, ovvero per ogni orientamento e per ogni
configurazione dei dispositivi. Le risorse disponibili non rendono praticabile questa via, che peraltro
sarebbe necessaria per rendere più realistici i risultati, nonché per eseguire studi volti alla
ottimizzazione della configurazione microurbanistica. Pertanto gli attuali risultati sono realistici solo
ipotizzando distanze sufficientemente grandi tra gli edifici.
Le simulazioni sono state condotte in riferimento a tre climi italiani, del Nord del Centro e del Sud:
Venezia (45.5° N), Roma (41.8° N) e Trapani (39° N). I risultati dovranno fornire indicazioni utili alla
4
56° Congresso Nazionale ATI
scelta del tipo di dispositivo e della sua eventuale logica di controllo in funzione del clima e
dell’orientamento dell’edificio.
Il calcolo della domanda totale di energia primaria relativa ad ogni configurazione è basato su tre
principali programmi, sviluppati dagli autori: Ener_lux, Midas e Comfort, il cui funzionamento é stato
illustrato in occasione degli scorsi Convegni ATI (Carbonari e Rossi, 1999 e 2000).
Essi consentono di simulare, in regime dinamico, con passo orario e per giorni tipo mensili il
comportamento energetico e luminoso del locale, di verificare le condizioni di comfort
termoigrometrico e luminoso, e simulare tutte le retroazioni sui dispositivi necessarie al mantenimento
del comfort.
3. ANALISI DEI RISULTATI
Per tutte e tre le configurazioni dei dispositivi e per tutti e tre i climi esaminati si può affermare che
l’orientamento più favorevole per l'affaccio del singolo modulo é quello Sud. Il vantaggio da esso
presentato é tale che si mantiene anche quando i consumi del modulo con tale affaccio sono mediati
con quelli del modulo con affaccio opposto. Pertanto l’orientamento ottimale per l’asse maggiore
dell’edificio risulta essere quello Est-Ovest.
Si riscontrano tuttavia un paio di eccezioni. Fa eccezione il caso di Trapani dove gli affacci Nord e
Sud del singolo alloggio praticamente si equivalgono presentando la stessa domanda totale annua di
energia primaria, comunque anche in questo caso l'orientamento migliore per l'asse dell'edificio è
quello E-O. Si sono esplorate variazioni di più o meno 11° rispetto all’orientamento Est-Ovest senza
però riscontrare vantaggi rispetto a quest’ultimo, con l'eccezione della configurazione ad alette fisse
nel clima di Venezia, che presenta il consumo minimo in corrispondenza dell'orientamento da E - NE
a O - SO.
In assenza di controllo della radiazione solare l’orientamento peggiore per il singolo modulo non é
tuttavia quello a Nord, come si potrebbe pensare, ma quello ad Est, seguito da quello Ovest quindi da
quello Nord.
Tuttavia le differenze nei consumi relativi ai vari orientamenti variano di entità con il clima e
soprattutto con la configurazione dei dispositivi esterni.
2200
1700
1200
22
19
16
13
7
10
4
1
22
19
16
13
7
10
4
1
22
19
16
13
7
10
-300
4
200
1
Flussi [W]
700
-800
-1300
-1800
Ore
Impianto
Fonti int.
Lampade
Sole (pavimento)
Disp.vetro
Altre pareti
Fig. 3 – Venezia, modulo ufficio con affaccio Sud privo di dispositivi esterni, bilancio energetico del
nodo aria interna nei giorni tipo di Gennaio, Febbraio e Marzo. Le fonti interne costituite dalle
persone e dalle macchine da ufficio sono distinte dalle lampade
A. Carbonari, G. Rossi, P. Romagnoni
5
3.1 La configurazione senza alette esterne
I risultati delle elaborazioni relativi a questa configurazione sono utili essenzialmente ad evidenziare il
peso relativo dei vari tipi di domanda energetica (riscaldamento, raffreddamento, illuminazione
artificiale) nei vari climi.
Malgrado le ampie superfici vetrate i carichi da riscaldamento non sono in generale rilevanti a causa
degli elevati guadagni interni. Anche nel clima di Venezia e nel periodo più freddo l’entità giornaliera
dei guadagni da fonti interne é all’incirca pari al contributo dell’impianto, che si concentra nelle prime
ore del mattino. Ed entrambi questi contributi sono molto più alti del contributo solare (Fig. 3).
Pertanto anche nel clima di Venezia le variazioni con l’orientamento dei consumi dovuti al
riscaldamento, pur presenti, influiscono poco sulle variazioni della domanda energetica globale che
risultano dovute essenzialmente al raffreddamento e secondariamente alla illuminazione artificiale.
Sempre in Fig.3 si può osservare come anche a Venezia da Marzo in poi sia necessario refrigerare,
almeno per parte della giornata.
In tutte e tre le località esaminate e con tutte e tre le logiche di controllo dei dispositivi esterni la
domanda di energia più rilevante risulta essere quella relativa al raffreddamento, e la cosa si fa via più
marcata procedendo verso Sud. Contestualmente la domanda relativa al riscaldamento, che nel clima
di Venezia é dell’ordine della metà di quella da raffreddamento ed é della stessa entità di quella per
illuminazione artificiale, diminuisce fino a diventare trascurabile nel clima di Trapani.
300
250
250
kWh / (m2 anno)
300
kWh / (m2 anno)
200
150
100
200
150
100
50
50
0
-90
-135
-180
Riscald..
Raffredd.
Illumin.
Totale
Riscald.
Orientamento
Raffredd.
Illumin.
Asse Eliot.
-45
NE-SO
0
Orientamento
ENE-OSO
45
E-O
90
ONO-ESE
135
NO-SE
N-S
0
180
Totale
300
300
250
250
kWh / (m2 anno)
kWh / (m2 anno)
Fig. 4 – Venezia, domanda annua di energia primaria per i vari utilizzi del modulo (a sinistra) e
dell'edificio (a destra) in assenza di elementi ombreggianti esterni
200
150
100
200
150
100
50
50
0
-90
-135
-180
Riscald..
Raffredd.
Illumin.
Totale
Riscald..
Orientamento
Raffredd.
Illumin.
Asse Eliot.
-45
NE-SO
0
Orientamento
ENE-OSO
45
E-O
90
ONO-ESE
135
NO-SE
N-S
0
180
Totale
Fig. 5 – Roma, domanda annua di energia primaria per i vari utilizzi del modulo (a sinistra) e
dell'edificio (a destra) in assenza di elementi ombreggianti esterni
6
56° Congresso Nazionale ATI
350
300
300
250
kWh / (m2 anno)
kWh / (m2 anno)
La domanda energetica annua per illuminazione artificiale non varia sensibilmente con il clima. In
ogni clima varia invece sensibilmente con l'affaccio del modulo. La differenza tra il valore minimo che
si riscontra per l'affaccio Sud ed il massimo, che corrisponde all'affaccio Nord è in genere di un buon
45%. Una particolarità: solo in assenza di elementi ombreggianti esterni il minimo si riscontra in
corrispondenza dell'affaccio a Sud-Ovest, questo perché il numero di ore lavorative pomeridiane è
maggiore di quello delle antimeridiane, pertanto il modulo con tale affaccio sfrutta meglio la luce
naturale.
250
200
150
100
200
150
100
50
50
0
-90
-135
-180
Riscald..
Raffredd.
Illumin.
Totale
Riscald..
Orientamento
Raffredd.
Illumin.
Asse Eliot.
-45
NE-SO
0
Orientamento
ENE-OSO
45
E-O
90
ONO-ESE
135
NO-SE
N-S
0
180
Totale
Fig. 6 – Trapani, domanda annua di energia primaria per i vari utilizzi del modulo (a sinistra) e
dell'edificio (a destra) in assenza di elementi ombreggianti esterni
Raffrontando i vari orientamenti del singolo modulo, si nota quanto segue (Fig. 4 - 5 - 6).
a) La minore domanda totale di energia primaria é quella che corrisponde all'affaccio Sud. Nel clima
più settentrionale tra quelli esaminati il vantaggio di quest’affaccio é leggermente più marcato
rispetto agli altri due climi ed é dovuto ai minori consumi da illuminamento artificiale e da
riscaldamento che l'affaccio Sud consente; questi risparmi superano in entità i maggiori oneri da
raffreddamento estivo. Passando a climi più meridionali il vantaggio dell’esposizione a Sud tende
ad attenuarsi in quanto aumentano i carichi da raffreddamento, per cui la domanda totale di
energia relativa all’esposizione Sud tende ad equiparare ad esempio quella relativa all’esposizione
Nord, cosa che avviene nel clima di Trapani. A Trapani, dove é largamente preponderante la
componente dovuta al raffreddamento, é la componente relativa all’illuminazione (maggiore per
l’esposizione Nord) a far si che le domande totali relative ai due orientamenti Sud e Nord si
equivalgano.
b) In tutti e tre i climi le due esposizioni N e S presentano consumi totali minori rispetto alle altre, e
la maggiore domanda totale corrisponde grossomodo all’orientamento Est. La cosa é dovuta alla
componente relativa al raffreddamento che é massima per questo orientamento; segue per entità la
domanda relativa all’orientamento Ovest quindi Nord ed infine Sud, queste ultime due si
eguagliano come detto a Trapani.
c) Anche la componente relativa al riscaldamento presenta due massimi in corrispondenza degli
orientamenti Est ed Ovest, questa volta il secondo é maggiore del primo.
Il comportamento descritto é diverso da quello degli edifici ad uso abitativo, caratterizzati da un orario
di utilizzo diverso; in essi gli eventuali problemi di surriscaldamento sono maggiori per l'affaccio
Ovest, a causa dei maggiori valori pomeridiani della temperatura dell'aria esterna e della radiazione
solare.
Per capire le ragioni di questo comportamento, a prima vista inaspettato, é stato necessario esaminare
l’andamento orario del bilancio di energia dell’aria interna del modulo nei giorni tipo. Si veda la Fig. 3
ed i commenti relativi e la Fig. 7 in cui vengono raffrontati, sempre nel clima di Venezia, i flussi
termici scambiati tra aria interna del locale e masse edilizie per i tre orientamenti, nei giorni - tipo di:
Gennaio, Aprile e Luglio, che sono rappresentativi rispettivamente del periodo freddo, della mezza
stagione e del periodo caldo. Come in Fig. 3 é indicato come positivo il flusso ricevuto dall'aria
interna.
A. Carbonari, G. Rossi, P. Romagnoni
7
Nei grafici si può osservare come nei periodi caldi o di mezza stagione, più o meno da Aprile a
Settembre, in corrispondenza dell’orientamento Est le masse delle pareti e del pavimento, investite
dalla radiazione solare, si riscaldino rapidamente nelle prime ore del mattino, superando la
temperatura dell’aria interna e cedendo calore ad essa nelle restanti ore del giorno. In corrispondenza
degli orientamenti Sud ed Ovest invece le stesse masse si riscaldano più tardi ed il periodo in cui
cedono calore all’aria all’interno dell’orario di utilizzo é più breve, parte della restituzione dell’energia
accumulata avviene al di fuori di tale orario.
100
250
450
400
50
200
350
0
300
-50
Flusso [W]
Flusso [W]
Flusso [W]
150
100
-100
250
200
150
100
50
-150
50
_Est
Ovest
Sud
_Est
22
19
16
13
7
10
4
1
22
19
16
13
7
Ore
Ore
Sud
10
0
4
1
22
19
16
13
7
10
0
4
1
-200
Ore
Ovest
Sud
_Est
Ovest
Fig. 7 – Venezia, flusso scambiato tra le masse e l’aria interna, confronto tra i valori relativi a tre
orientamenti del modulo nei giorni - tipo di Gennaio, Aprile e Luglio (da sinistra a destra)
A questo si aggiunga che, nel caso di uffici, i carichi da raffreddamento mattutini possono coincidere
con il riavvio dell’impianto cui corrisponde un picco nei consumi.
Pertanto in corrispondenza dell'orientamento Est del modulo ufficio si riscontra la massima domanda
annua di energia per raffreddamento, che come si é detto é la più influente, mentre in corrispondenza
dell'affaccio Ovest si riscontra la massima domanda annua per riscaldamento.
Per la residenza é vero il contrario, dato l’utilizzo continuativo, la domanda da raffreddamento é
maggiore per l’orientamento Ovest; dove gli effetti della restituzione differita dell'energia solare
accumulata e dei maggiori valori pomeridiani della temperatura dell’aria esterna si sommano nel
provocare surriscaldamento.
Si può così desumere che il maggior carico da raffreddamento relativo all’affaccio Est é dovuto
all’effetto combinato dell’inerzia termica delle masse e dell’orario di utilizzo, che si é ipotizzato
continuo dalle ore nove alle ore diciannove.
Dagli stessi grafici si può osservare anche che, mentre nei periodi caldi l’entità dell’energia ceduta
giornalmente dalle masse all’aria é molto maggiore in corrispondenza degli orientamenti E ed O
rispetto all’orientamento S, nel periodo invernale l’entità dei flussi energetici ceduti dalle masse
all’aria é in generale minore pertanto anche le differenze fra gli orientamenti sono meno influenti sulla
domanda di energia.
In tale periodo tuttavia é maggiore il vantaggio dell’orientamento Sud riguardo i consumi per
riscaldamento, in corrispondenza di tale orientamento infatti le masse, in particolare il pavimento,
sono irradiate con più continuità e cominciano prima a restituire l’energia accumulata (dalle 13), in
corrispondenza degli affacci Est ed Ovest questa cessione di energia nel clima di Venezia non riesce
neanche ad avvenire entro l'orario di utilizzo (Fig. 7). Pertanto solo per l'orientamento Sud a Venezia il
8
56° Congresso Nazionale ATI
carico dell’impianto in Inverno é nullo nel pomeriggio.
Sui minori carichi da raffreddamento dell’orientamento Ovest influiscono anche i minori guadagni
interni dovuti alle lampade. Il numero di ore lavorative pomeridiane è infatti maggiore di quelle
antimeridiane, pertanto il modulo affacciato ad Ovest sfrutta meglio la luce naturale rispetto a quello
con orientamento opposto, la differenza nella domanda di energia per illuminazione artificiale tra gli
affacci Est ed Ovest è di circa il 30%.
Passando a considerare i consumi medi di coppie di moduli dall’orientamento opposto, queste
diversità tra Est ed Ovest si compensano e l’orientamento più vantaggioso per l'asse maggiore del
corpo di fabbrica risulta essere quello Est - Ovest
3.2 Le alette mobili con logica di controllo stagionale
La logica di controllo stagionale é volta a minimizzare prioritariamente la domanda di energia per
climatizzazione, che, come riscontrato anche nel corso di indagini precedenti (Carbonari e Rossi,
2000), nei climi in esame risulta essere la voce più influente sul bilancio energetico. Questa logica
prevede che in ogni momento le alette vengano inclinate in modo tale da lasciar entrare solo la
frazione utilizzabile dell’energia solare disponibile, evitando così il surriscaldamento.
Il valore dell'energia solare utilizzabile viene precalcolato con un’apposita versione del programma
Midas relativamente ad ogni passo di simulazione per ogni clima e per ogni orientamento. Questi
valori costituiscono un input per Ener_lux che in base ad essi calcola la necessaria inclinazione delle
alette e modifica di conseguenza il modello digitale del sistema fisico.
Riguardo la sua entità nei vari climi si può osservare quanto segue (Fig. 8).
a) Venezia. Soprattutto nei mesi più freddi l’energia utilizzabile é maggiore per l’eposizione Sud,
dove é concentrata al mattino e cala bruscamente nel pomeriggio; per le esposizioni Est ed Ovest é
di pari entità anche se collocata in fasce orarie diverse: i valori maggiori sono concentrati
rispettivamente al mattino ed al pomeriggio. Nei periodi più freddi la distribuzione dei suoi valori
per le due suddette esposizioni é perfettamente simmetrica rispetto al mezzogiorno, andando verso
la mezza stagione, a causa delle maggiori temperature esterne pomeridiane quindi delle minori
dispersioni del locale, diminuiscono i valori relativi all’esposizione Ovest. Nei mesi successivi a
Marzo fino all’inizio di Novembre l’energia utilizzabile é nulla per ogni orientamento, pertanto in
tali periodi sul lato Sud la diretta viene intercettata per tutto il giorno.
b) Roma. Date le maggiori temperature esterne pomeridiane l’energia utilizzabile é sempre maggiore
per l’esposizione Est rispetto a quella Ovest e lo scarto maggiore fra le due si verifica in
Primavera.
c) Trapani. Qui il divario fra le esposizioni E ed O si accentua rispetto agli altri climi, ed il valore
massimo dell’energia utilizzabile è quello relativo all’esposizione Est.
250
300
230
210
kWh / (m2 anno)
kWh / (m2 anno)
250
200
150
190
170
150
130
110
90
100
70
50
50
-90
-135
-180
Riscald
Raffredd
Illuminaz
Totale
Riscald
Orientation
Raffredd
Illuminaz
Asse Eliot.
-45
NE-SO
0
Orientamento
ENE-OSO
45
E-O
90
ONO-ESE
135
NO-SE
N-S
0
180
Totale
Fig. 8 – Venezia, alette mobili con logica di controllo stagionale domanda annua di energia primaria
per i vari utilizzi del modulo (a sinistra) e dell'edificio (a destra)
A. Carbonari, G. Rossi, P. Romagnoni
9
Analizzando la singola cellula: si é potuto osservare come l’esposizione più propizia sia quella a Sud.
Ma il vantaggio sembra dipendere esclusivamente dai consumi per illuminazione, che sono minimi in
corrispondenza di tale orientamento, mentre i consumi relativi alla climatizzazione non variano
sensibilmente con l’orientamento, soprattutto nel clima più freddo (Fig.8).
Questo perché, evitando surriscaldamenti con la disposizione delle alette, scompaiono o si attenuano i
maggiori consumi da raffreddamento relativi all'orientamento Est, ed in misura minore agli
orientamenti Ovest e Sud, mentre resta un relativo svantaggio dell'esposizione Ovest riguardo il
riscaldamento.
Considerando coppie di locali dall'orientamento opposto, l'unica domanda energetica che varia
sensibilmente con l'orientamento, quella da illuminazione artificiale, viene mediata; per cui la
domanda media della coppia di locali si ritrova ad essere praticamente costante al variare
dell'orientamento.
3.3 La configurazione con alette fisse a 45°
Dal momento che con questa configurazione viene sempre intercettata non solo la radiazione diretta
ma anche buona parte della diffusa, la domanda di energia per climatizzazione é praticamente costante
al variare dell’orientamento del corpo di fabbrica. Le piccole differenze che si possono riscontrare tra
orientamenti del modulo simmetrici rispetto alla direzione Sud, ad esempio SE e SO, possono essere
spiegate dall’asimmetria dell’orario di ufficio rispetto al mezzogiorno e dalle maggiori temperature
pomeridiane dell’ambiente esterno.
250
200
200
kWh / (m2 anno)
kWh / (m2 anno)
250
150
150
100
100
50
50
0
Raffredd
Illuminaz
Totale
Riscald.
Orientamento
Raffredd.
illuminaz.
Asse Eliot.
Riscald
NE-SO
-180
ENE-OSO
-80
E-O
20
Orientamento
ONO-ESE
120
NO-SE
N-S
0
Totale
Fig. 9 – Trapani, alette fisse a 45° domanda annua di energia primaria per i vari utilizzi del modulo
(a sinistra) e dell'edificio (a destra)
E’ interessante notare che nel clima di Trapani il modulo affacciato a Nord rispetto a quello affacciato
a Sud presenta minori carichi per riscaldamento e maggiori carichi da raffreddamento, la cosa é dovuta
ai maggiori flussi termici connessi alle lampade.
4. Confronto tra le diverse configurazioni dei dispositivi.
La logica stagionale si dimostra in generale la più conveniente. Rispetto alla configurazione con alette
fisse lo è soprattutto nel più settentrionale dei climi esaminati, quello di Venezia, dove è più influente
la domanda energetica per riscaldamento. Tale domanda è infatti la più influenzata dal controllo
effettuato mediante le alette. Tuttavia il vantaggio rispetto alle alette fisse comincia a diminuire nel
clima di Roma, e nel clima di Trapani si annulla, dal momento che per l'intero edificio i risultati
conseguibili praticamente coincidono con quelli forniti dalle alette fisse (Fig. 12).
Se invece si considera il singolo locale, sempre nel clima di Trapani, quest'ultima configurazione
fornisce prestazioni leggermente migliori rispetto alla logica stagionale per affacci compresi tra la
direzione Sud-Ovest e la direzione Est. Infatti, schermando oltre alla diretta buona parte della diffusa,
10
56° Congresso Nazionale ATI
la configurazione ad alette fisse è più vantaggiosa quando i carichi maggiori sono quelli relativi al
raffreddamento.
La domanda energetica per illuminazione varia con la logica di controllo, è minore in assenza di
dispositivi esterni ed è massima in presenza di alette fisse. Con le alette controllate secondo la logica
stagionale assume valori intermedi. La diversità tra la logica stagionale e le alette fisse è minima nel
clima di Trapani dove le alette mobili restano abbassate per più tempo. Per queste ultime due
configurazioni i consumi minimi per illuminamento corrispondono ad un affaccio prossimo alla
direzione Sud, leggermente spostato verso Ovest, mentre in assenza di elementi esterni l'affaccio che
minimizza questi consumi è quello in direzione Sud - Ovest (Fig. 4-5-6).
270
290
260
kWh / (m2 anno)
kWh / (m2 anno)
270
250
230
250
240
230
220
210
210
190
200
Logica Stag.
-135
-180
Senza alette
Alette a 45°
Orientamento
Logica Stag.
Asse Eliot.
-90
NE-SO
Senza alette
0
-45
Orientamento
ENE-OSO
45
E-O
90
ONO-ESE
135
NO-SE
N-S
170
180
Alette a 45°
Fig. 10. Venezia, domanda totale di energia primaria del modulo-ufficio (a sinistra e dell’edificio(a
destra) in funzione dell’orientamento, confronto tra le varie logiche di controllo.
290
255
250
kWh / (m2 anno)
kWh / (m2 anno)
270
250
230
210
245
240
235
230
225
220
190
215
210
0
-45
-90
-135
-180
Orientamento
Senza alette
Logica Stag.
Alette a 45°
Senza alette
Orientamento
Logica Stag.
Asse Eliot.
45
NE-SO
90
ENE-OSO
135
E-O
180
ONO-ESE
150
NO-SE
N-S
170
Alette a 45°
Fig. 11. Roma, domanda totale di energia primaria del modulo-ufficio (a sinistra e dell’edificio(a
destra) in funzione dell’orientamento, confronto tra le varie logiche di controllo.
L'assenza di controllo mediante i dispositivi esterni è in generale la logica peggiore, l'unico caso in cui
essa è preferibile alle altre due logiche è quello del singolo modulo affacciato in direzione prossima al
Nord in tutti e tre i climi. Considerando l'intero edificio, solo nel clima di Venezia e per orientamenti
del suo asse compresi entro scostamenti di più o meno 30° rispetto alla direzione Est-Ovest l'assenza
A. Carbonari, G. Rossi, P. Romagnoni
11
di controllo sarebbe conveniente rispetto alle alette fisse ma non rispetto alla logica stagionale (Fig.
10), mentre nel clima di Roma ed ancor più in quello di Trapani l'assenza di controllo sarebbe
nettamente svantaggiosa rispetto alle altre due configurazioni.
280
290
270
270
kWh / (m2 anno)
260
kWh / (m2 anno)
250
230
210
250
240
230
220
210
190
200
Logica Stag.
-90
-135
-180
Alette a 45°
Senza alette
Orientamento
Logica Stag.
Asse Eliot.
0
-45
Orientamento
NE-SO
45
ENE-OSO
Senza alette
90
E-O
135
ONO-ESE
180
NO-SE
N-S
170
Alette a 45°
Fig. 12. Trapani, domanda totale di energia primaria del modulo-ufficio (a sinistra e dell’edificio(a
destra) in funzione dell’orientamento, confronto tra le varie logiche di controllo.
In pratica sia la logica stagionale che quella basata sulle alette fisse a 45° tendono a rendere i consumi
dell'edificio indifferenti all'orientamento del suo asse maggiore, la cosa è più evidente nei climi di
Roma e Trapani, dove tuttavia le due logiche presentano un lieve vantaggio per gli orientamenti
prossimi alla direzione E-O, mentre nel clima di Venezia con la logica stagionale sono più evidenti i
minori consumi che si riscontrano in corrispondenza dell'orientamento Est - Ovest, ed i massimi che si
riscontrano per orientamenti compresi tra la direzione N-S e la NO-SE. Nello stesso clima, con le
alette fisse, il minor consumo totale si riscontra in corrispondenza dell'orientamento da Est - Nord Est
a Ovest - Sud Ovest.
Bibliografia
A. Carbonari , G. Rossi. Logiche di controllo a comfort costante per la minimizzazione dei consumi energetici
globali in tipologie per uffici dotate di elementi frangisole mobili. Atti del 55° Congresso Nazionale ATI Associazione Termotecnica Italiana. ATI sez. Puglia e Basilicata, 2000.
A. Carbonari, G. Rossi. Metodologia per l’ottimizzazione energetica ed illuminotecnica degli elementi
ombreggianti applicati alle facciate degli edifici. Atti del 54° Congresso Nazionale ATI Associazione
Termotecnica Italiana. 597 - 608. SGE Padova, 1999.
A. Carbonari, G. Rossi. A computer method for evaluation of total energy demand in buildings shaded by
horizontal blades with automatic control. Atti della 17th Conferenza Internazionale PLEA (Passive and Low
Energy Architecture, Architecture City Environment). 845-846. James & James Ltd, 2000.
A. A. Rey, J. Pidoux, C. Barde. La science des plans de villes: ses applications a la construction, a l'extension,
a l'hygiene, et a la beaute des villes, orientation solaire des habitations. Ed. Dunod, 1928.