INSERIMENTO DEL MANUFATTO EDILIZIO NELL’AMBIENTE
UTILIZZO DEI SISTEMI SOLARI PASSIVI IN EDILIZIA
Indice
1.“Bioedilizia e Sistemi solari passivi ”
2.“Cenni di architettura bioclimatica ”
3.“Esperienza bioecologica del passato ”
3.1 il sistema termale romano
3.2 I Sassi di Matera
3.3 I Dammusi di Pantelleria
3.4 La Mesa Verde in Colorado (USA)
3.5 Le torri del vento iraniane
3.6 Le ville rinascimentali di Costozza
4.“Conduzione, Convezione ed Irraggiamento ”
5.“Sistemi solari passivi ”
5.1 Captazione solare
5.1.1 Orientamento e inclinazione
5.1.2 Riflettori solari
5.1.3 Materiali trasparenti
5.1.4 Schermature
5.1.4.2. Schermi fissi
5.1.4.3 Schermi mobili
5.1.5 Vegetazione
5.2 Accumulo termico
5.2.1 Materiali e spessori
5.3 Distribuzione del calore solare
5.4 “Sistemi di riscaldamento passivi”
5.4.1 Guadagno diretto
5.4.2 Guadagno indiretto
5.4.2.1 Muro Trombe e massivo
5.4.2.2 Muro d'acqua
5.4.2.3 Muro di accumulo isolato
5.4.2.4 Tetto d’acqua (roof pond)
5.4.2.4 Serra addossata
5.4.3 Guadagno isolato
5.4.3.1 Il termosifone
5.4.3.2 Il sistema Barra-Costantini
5.5 Sistemi di raffrescamento
5.5.1 Il raffrescamento passivo
5.5.2 La ventilazione naturale passiva
5.5.2.1 Ventilazione passante orizzontale e a lato singolo
5.5.2.2 Ventilazione passante verticale
5.5.2.3 Sistema combinato vento-effetto camino
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1.“Bioedilizia e Sistemi solari passivi ”
Il termine Bioedilizia indica in linee generali un’approccio al costruire in cui viene posta
particolare attenzione alla realizzazione di edifici “sani” per chi li abita e “sostenibili” per
l’habitat che li accoglie.
Affinché un edificio sia sano per chi lo utilizza sia a fini lavorativi che abitativi o ludici e
ricreativi è necessario che vengano rispettate le seguenti condizioni:
• I materiali da utilizzare per la costruzione devono essere non nocivi per
minimizzare l’inquinamento degli ambienti confinati o indoor che può
provenire dal cemento, dal radon presente in alcuni materiali come il tufo o
comunque di origine vulcanica, dal cemento amianto e da una quantità di
colle o additivi presenti sia nelle vernici che negli arredi;
• Nella localizzazione e nel posizionamento dell’edificio si deve prestare
attenzione alla presenza di campi elettromagnetici naturali così come nella
realizzazione dell’impianto elettrico si deve evitare di creare dei campi
elettromagnetici artificiali;
• Il microclima interno deve essere ottimale nell’arco dell’intero anno e quindi
confortevole d’inverno e fresco d’estate;
La sostenibilità dell’edificio nei confronti dell’habitat che lo accoglie viene a realizzarsi
attraverso una serie di comportamenti e atteggiamenti finalizzati prevalentemente al
rispetto del luogo in cui si interviene e delle risorse di cui si dispone, e più precisamente:
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•
•
Preservare il paesaggio
Minimizzare il consumo idrico
Eliminare o ridurre la quantità di rifiuti edili e di cantiere;
Utilizzare materiali riciclabili alla morte dell’edificio;
Risparmiare materie prime;
Valutare l’impatto sull’ambiente derivante dai materiali utilizzati e dal loro
sistema di produzione;
Utilizzare in maniera diffusa le Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) per
contribuire al risparmio energetico e di conseguenza alla riduzione di
emissioni di anidride carbonica in atmosfera;
L’adozione di sistemi solari passivi occupa nell’ambito della Bioedilizia una posizione di
rilievo in ordine agli obiettivi che la Bioarchitettura intende perseguire e più precisamente:
•
•
•
Progettazione a basso contenuto di energia non rinnovabile e massimo utilizzo di
Fonti Energetiche Rinnovabili (FER), vale a dire edifici progettati e realizzati
utilizzando in maniera consapevole le soluzioni più appropriate finalizzate al
risparmio energetico;
Ridurre l’uso di risorse non rinnovabili;
Promuovere l’uso sostenibile delle risorse
Prima di approfondire il tema relativo alla adozione di sistemi solari passivi in
Bioedilizia è necessario accennare brevemente ad alcune nozioni basilari di architettura
Bioclimatica.
2.“Cenni di architettura bioclimatica ”
Per architettura bioclimatica si intende l'architettura finalizzata al raggiungimento del
comfort ambientale interno.
Essa minimizza i consumi energetici necessari per la climatizzazione (riscaldamento,
condizionamento estivo ed illuminazione diurna) e limita, di conseguenza, l'inquinamento
dell'ambiente.
La bioclimatologia, dunque, studia le connessioni tra il clima e la vita e definisce le
modalità attraverso le quali l’uomo costruisce la propria abitazione tenendo conto delle
peculiarità dei vari tipi di clima che si incontrano sul pianeta.
Pertanto, per progettare correttamente un edificio energeticamente razionale, occorre uno
studio approfondito di tutti i fattori climatici caratteristici del luogo dove deve essere
inserito il manufatto edilizio.
L'architettura bioclimatica si può intendere, quindi, come un complesso di soluzioni
progettuali che consentono di assicurare all'interno di un edificio il mantenimento di
condizioni di comfort ambientale, limitando al minimo l'intervento degli impianti che
comportano consumi energetici da fonti convenzionali.
Tale architettura affida in modo prevalente alla struttura, alla conformazione fisica
dell'edificio, al suo orientamento ed al contesto climatico in cui viene realizzato, il compito
di captare o rinviare le radiazioni solari e di sfruttare il microclima locale, ad esempio i
venti prevalenti, per ottenere il comfort ambientale.
Tra le tecnologie energetiche basate su fonti nuove e rinnovabili, molte hanno un rilievo
applicativo nell'architettura bioclimatica e, per converso, essa stessa finisce con il
costituire una delle principali risorse nel settore.
Tale sviluppo rappresenta quindi una prospettiva assai attraente per il risparmio
energetico e la riduzione dell'inquinamento ambientale se si pensa che, ad esempio, in
Europa l'energia consumata negli edifici per il riscaldamento, la climatizzazione,
l'illuminazione e le funzioni tecnologiche e di servizio copre circa il 40% del consumo di
energia primaria.
In considerazione della rilevante incidenza che questo settore assume, si presenta di
particolare importanza la diffusione dell'architettura bioclimatica attraverso l'impiego di
idonee tecnologie ed opportuni criteri di progettazione per le nuove costruzioni e per il
recupero energetico di quelle esistenti.
Per quanto riguarda quest'ultimo aspetto si può considerare che in Italia nel settore
residenziale, dei circa 18 milioni di alloggi esistenti, almeno 4 milioni e mezzo hanno
consumi energetici per il riscaldamento più elevati rispetto alla norma; di questi, almeno 2
milioni presentano reali possibilità di interventi di recupero per una sostanziale riduzione
dei consumi energetici.
I principi di progettazione bioclimatica non sono un fatto nuovo: essi, infatti, sono stati
applicati nel passato in molti esempi di architettura nei quali sia la posizione reciproca
degli edifici, sia le caratteristiche costruttive e la scelta dei materiali erano tali da rendere il
microclima interno soddisfacente, senza l'intervento degli impianti.
Con l'avvento della rivoluzione industriale iniziò la diffusione degli impianti per la
climatizzazione artificiale degli ambienti, anche in relazione alla accresciuta disponibilità
delle fonti di energia a basso costo (carbone, petrolio, gas, elettricità, ecc.). In tal modo
ebbe inizio l'epoca dello "spreco", che portò ad ignorare qualsiasi intervento che
conducesse alla limitazione dei consumi energetici, delegando agli impianti la risoluzione
dei problemi legati al comfort ambientale. L'edificio ideale era raffigurato come una sorta di
prodotto la cui forma poteva rimanere indifferente rispetto alle condizioni locali e poteva
rispondere esclusivamente a stimoli di tipo formale o funzionale.
L'avvento della crisi energetica ha reso necessario il controllo dei consumi, imponendo ai
progettisti l'introduzione di materiali e tecnologie per la conservazione energetica
(riduzione delle dispersioni termiche, controllo delle infiltrazioni d'aria ecc .) e l'uso di fonti
rinnovabili (sistemi solari attivi e passivi).
La crisi energetica ha cosi' dato luogo ad un ampio lavoro di ricerca e sperimentazione che
ha portato, nello scorso decennio, alla realizzazione di una serie consistente di edifici
bioclimatici in tutto il mondo. I criteri di progettazione bioclimatica riguardano quindi il
contenimento dei consumi energetici degli edifici, prevalentemente ottenibili, come già
detto , attraverso:
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la conservazione dell'energia (isolamento e inerzia termica, controllo dei
fenomeni di condensazione, dei ponti termici e delle infiltrazioni);
il riscaldamento solare passivo (con sistemi diretti, indiretti ed isolati);
il raffreddamento passivo (protezione dall'irraggiamento solare, inerzia
termica, adozione di sistemi naturali di raffreddamento per ventilazione,
irraggiamento notturno ed evaporazione);
l'illuminazione naturale (adeguata posizione e dimensionamento delle
superfici trasparenti, adozione di sistemi di riflessione e/o canalizzazione
della luce);
3.“Esperienza bioecologica del passato ”
Come già accennato precedentemente, l’applicazione di principi bioclimatici nella
costruzione degli edifici e nella definizione dell’ habitat umano era una prassi prima della
scoperta di fonti di energia non rinnovabili.
Pertanto di seguito esporrò una breve selezione di approcci costruttivi del passato nei
quali tale applicazione trova un riscontro diretto, anche se tale selezione, non può
certamente considerarsi esaustiva in quanto gli esempi, in grado di dimostrare la validità
dei principi di tale approccio progettuale e realizzativo, sono assai più numerosi di quelli di
seguito esposti in maniera assolutamente sintetica e del tutto speditiva.
3.1 il sistema termale romano
I sistemi di riscaldamento dell’ambiente domestico, così come possiamo intenderli
attualmente, si sono diffusi soprattutto dal XVIII e dal XIX secolo.
Precedentemente nelle abitazioni domestiche si trovavano quasi soltanto focolari aperti o
bracieri portatili fino a quando, soltanto dal 1400, si diffusero le stufe.
Tutto questo può apparire certamente sorprendente se si pensa al funzionamento dei
complessi sistemi di riscaldamento in uso in epoca romana per le strutture termali dove è
possibile trovare utilizzato un primo sistema di riscaldamento centralizzato.
Tale sistema di riscaldamento era chiamato ipocausto, o riscaldamento sotterraneo, e
consisteva nel far circolare, sotto i pavimenti e lungo le pareti degli edifici termali romani,
l’aria calda proveniente da un forno alimentato a legna.
Fig.1 – Terme romane – sistema a ipocausto
Il riscaldamento sotterraneo sembra abbia avuto origine nel I secolo a.C. nelle aree
vesuviane dove, attraverso la realizzazione delle cosiddette balneae pensiles, si riusciva a
far circolare il calore utilizzando una tecnica analoga a quella impiegata per lo
sfruttamento delle sorgenti geotermiche localizzate in prossimità del Vesuvio.
Questo impianto di riscaldamento, utilizzato principalmente nei grandi complessi termali,
veniva anche impiegato per il riscaldamento di alcune parti delle più ricche abitazioni
romane.
Particolare attenzione veniva posta nella scelta della legna per il fuoco che doveva essere
asciutta e di particolari essenze per evitare che la sua combustione producesse troppo
fumo che avrebbe disturbato gli ospiti delle terme.
La sua combustione avveniva nella parte centrale del complesso termale in modo tale da
evitare lunghi percorsi all’acqua ed all’aria riscaldata.
Per consentire la circolazione dell’aria calda all’interno degli ambienti, i pavimenti delle
stanze dei complessi termali venivano realizzati sospendendoli sopra file di mattoni posti a
distanze regolari tra loro.
Vitruvio, nel suo trattato De Architettura, sottolinea la necessità di porre particolare cura
all’isolamento delle terme utilizzando intercapedini e controsoffitti opportunamente
realizzati.
Fig.2 – Pianta delle Terme di Diocleziano – Orientamento vitruviano
Inoltre stabilisce di orientare in direzione ovest le stanze riscaldate con la finalità di esporle
il più a lungo possibile alla radiazione solare della seconda parte della giornata che era il
periodo in cui si assisteva al massimo afflusso.
Attraverso l’esposizione si riusciva quindi ad aggiungere al calore prodotto dalla
combustione della legna anche quello della radiazione solare.
3.2 I Sassi di Matera
Matera è una delle città più antiche del mondo.
Fig.3 – Vista di Matera
Dal Neolitico ad oggi, infatti, per circa 7000 anni la vicenda umana si è svolta, senza
alcuna interruzione, in uno stesso luogo.
L'antica città è sorta in un'area rupestre a ridosso di una grande spaccatura carsica,
chiamata gravina di Matera e si è sviluppata in uno stretto rapporto con la roccia e le
grotte.
Il primitivo luogo della città costruita, chiamato Civita, si trova al centro dei rioni Sassi.
In periodo romano la CIVITAS fu munita di mura, al disotto delle quali c'erano spazi aperti
con numerose grotte e sopratutto grandi massi rocciosi per i quali i due antichi rioni furono
denominati Sassi.
Fig.4 – Sezione dei Sassi – Integrazione del costruito con le grotte
In questi spazi nel periodo romano si insediarono "Casali Rurali" che nel tempo, specie nel
corso del Medioevo, ampliandosi e saldandosi alla Civitas, costituirono il "Sasso Caveoso"
e il "Sasso Barisano".
Fig.5 – Sasso Barisano
Fig.6 – Sasso Caveoso
Insieme alla CITTA' COSTRUITA ha sempre convissuto una città scavata, ma con diverse
utilizzazioni nei secoli della parte scavata, a seconda sopratutto delle varie vicende
storiche ed economiche.
Un periodo in cui la grotta rupestre ha ripreso una grande funzionalità è stato quello che
inizia dal VII sec. d.C. con la presenza massiccia delle comunità monastiche benedettine e
greco bizantine.
Queste ultime, in particolare, portavano dai luoghi di provenienza (la Cappadocia,
l'Anatolia, l'Armenia, ecc.) una cultura del vivere nella grotta che si fuse con una
popolazione già esperta nella escavazione del tufo.
Camminando per i Sassi ci si accorge quasi improvvisamente di essere sul tetto di
un’abitazione sottostante, ecco poi una cisterna per l’acqua, una neviera, una grotta che
ha assunto i connotati di casa.
Fig.7 – Complessità efficiente del costruito
La relazione al Piano di Recupero dei cosiddetti “Sassi” di Matera, redatta
dall’Amministrazione comunale, mette in evidenza, sottolineandolo anche con una certa
enfasi, come “ (...) la loro forma contenga l’abilità, la perizia, le aspirazioni e la cultura delle
persone che, giorno dopo giorno, imparavano a dominare le condizioni avverse ed ostili,
apprendendo a rendere abitabile ed accogliente un luogo tanto impervio (...”).
La qualità del materiale utilizzato nelle costruzioni, che si prestava molto bene alle
lavorazioni più diversificate e complesse, ha consentito di adattare tali costruzioni alle
esigenze dei suoi abitanti, alcuni dei quali abitano ancora questi particolari manufatti.
I Sassi di Matera sono un esempio di agglomerato bioclimatico efficiente e duraturo tanto
perché realizzati con pietra locale che ha caratteristiche di traspirabilità, isolamento e
porosità molto accentuate quanto per il fatto che tutto il sistema edilizio ha, e soprattutto
aveva, le coperture collegate per la raccolta dell’acqua piovana, che veniva convogliata e
conservata in un sistema articolatissimo di cisterne, creando una riserva d’acqua in luoghi
particolarmente secchi d’estate.
Fig.8 – Sistema di cisterne
3.3 I Dammusi di Pantelleria
Il clima dell’isola di Pantelleria è caratterizzato dalla presenta di temperature piuttosto
elevate che raggiungono medie mensili che variano dai 24°C ai 10°C, una piovosità molto
bassa ed una ventosità assai elevata.
Il Dammuso, particolare ed esemplificativo esempio di manufatti di architettura spontanea
di ispirazione bioclimatica, è una costruzione che tende ad offrire una difesa sia dal caldo
eccessivo che dal vento che, come già detto, caratterizzano pesantemente le condizioni
climatiche dell’isola.
Fig.9 – Esterno di Dammuso ristrutturato
Questa costruzione, presente in numerosissimi esemplari in tutta l’isola, è nata molti secoli
fa con l’obiettivo di poter vivere nella vigna e custodire i numerosi attrezzi da lavoro ed il
raccolto dei contadini.
Fig.10 – Dammuso – Tipologia edilizia di base
L’abitazione era mediamente composta da tre vani: la sala, il cammarino e l’alcova mentre
gli elementi che completano l’unità base del dammuso da abitazione sono: il forno(1), le
stalle (2), lo stenditoio (3), il "passiaturi"(4), la cisterna (5) e "U Jardinu"(6).
Lo stenditoio chiamato "stinnituri" era un vero e proprio essiccatoio, per uva, fichi e
pomodori. Era costituito da un muro con un piano leggermente inclinato, esposto a sud per
carpirne tutti i raggi del sole mediterraneo.
U Jardinu è un vero e proprio "tempio" di pietra dedicato all’albero di agrume, come
limone, cedro e arancio, realizzato per proteggerlo dai venti e creargli calore nei mesi
invernali.
Il Dammuso presenta un'unica porta d’ingresso e nessuna vera e propria finestra all’infuori
di due o tre piccole aperture situate alle spesse pareti, con la funzione principale di
realizzare il ricambio interno dell’aria.
Il microclima interno, grazie anche allo spessore considerevole delle pareti esterne che
può raggiungere oltre 80 centimetri, è naturalmente confortevole ed ha consentito, negli
ultimi due secoli, di trasformare il Dammuso di Pantelleria in abitazione per numerosi
abitanti dell’isola e di qualche turista particolarmente sensibile alle questioni ambientali.
L'impianto di edificazione del dammuso rurale, iniziava con la bonifica dei terrazzi che
erano adiacenti al luogo della nuova costruzione, con la cava di pietre, dove venivano
selezionate per diverse pezzature e forme, identificandole dalle dimensioni con nomi
specifici: tartisi, strummuli, mazzacani, cantuna, balati, cantunere, ecc. con un ruolo
specifico per ogni elemento.
In questa fase iniziale di bonifica e preparazione, era fondamentale la costruzione di una
cisterna, ma in moltissimi casi si edificava su un precedente sito di epoca punica o romana
dove vi erano già le millenarie cisterne di sezione campanulata, impermeabilizzate con un
impasto di cocciopesto, che incredibilmente resistono intatte sino ai nostri giorni senza
alcuna manutenzione che quella della pulizia.
Fig.11 – Schema di cisterna punica
La costruzione dei muri di sostegno delle cupole, che in diversi periodi si differenziavano
per dimensioni e stili, dà al dammuso una delle caratteristiche primarie di maggior pregio
che è l'isolamento termico, dovuto allo spessore dei muri, che è mediamente di circa 120
cm, che, insieme al riempimento dello stesso con pietre di minor dimensione (tartisi,
mazzacani, strummuli ) formano un circolo d'aria interno al muro, che lo raffredda d'estate
e l'asciuga in inverno.
Il tetto viene realizzato con le volte in pietra, coperto da uno strato di terra, che serve per
livellare le superfici, dove si stende un impasto di calce e tufo dello spessore di cm.7,
battuto con delle piccole mazze in legno di leccio, per diversi giorni sino a comprimersi allo
spessore di cm.4.
Fig.12 – Copertura a volta
Tutto ciò serve a convogliare l'acqua piovana e a renderlo impermeabile, ma permette
all'umidità interna al dammuso di traspirare.
In tutto tra pietre, terra, tufo, si ha uno spessore di circa cm.35/40 e proprio per le
caratteristiche dei materiali sopra indicati, contribuisce insieme ai muri a valorizzare al
massimo l'isolamento termico.
L'orientamento delle aperture principali (porte) era sempre possibilmente verso Sud, per
sfruttare il calore e la luce, insieme ad una o due finestre delle dimensioni di cm 40x50,
dove la luce tenue dava un senso di frescura al calore estivo, perché è da considerare che
oltre alle antiche necessità di ordine pratico vi si soggiornava in massima parte ad iniziare
dal mese di giugno al mese di settembre per quanto riguarda i dammusi rurali.
Fig.13 – Dammuso – esterno
3.4 La Mesa Verde in Colorado (USA)
L’insediamento indiano di Mesa Verde in Colorado, che risale al XIII secolo circa,
rappresenta un esempio significativo di sfruttamento delle caratteristiche naturali di un
territorio ai fini della sopravvivenza della popolazione che vi abita.
Fig.14 – Mesa Verde in Colorado
Tale insediamento è incassato in un taglio della roccia ed è esposto verso sud in posizione
riparata rispetto ai raggi solari durante la stagione estiva ma non durante quella invernale.
Fig.15-16 – Mesa Verde in Colorado – Comportamento bioclimatico in inverno ed in estate
Infatti durante l’inverno i raggi solari, che sono molto più bassi rispetto alla stagione estiva,
riescono a penetrare molto meglio nelle cavità rocciose, accumulando, in questo modo, il
calore che viene lentamente rilasciato negli ambienti interni durante la notte.
Inoltre la roccia contro cui si addossa l’insediamento, garantisce anche una grandissima
inerzia termica, riuscendo a conservare in questo modo anche le condizioni di confort
pressoché costanti per tutto l’anno.
Fig.17 – Mesa Verde in Colorado – Vista dell’abitato con i resti riconoscibili dei Kiva
Infatti la combinazione di caverna ed edifici è del 56% più efficiente, come collettore di
energia,durante l’inverno che non durante l’estate; il calore delle radiazioni solari viene
accumulato egregiamente nella roccia e nei mattoni di terra di cui sono fatte le case , e
ceduto lentamente nell’ambiente quando il sole è tramontato, creando così un microclima
costantemente confortevole, rispetto alle inclementi condizioni climatiche con gelidi inverni
e torride estati.
Durante il giorno la vita sociale degli Indiani Anasazi si svolgeva all’interno del “Kiva”,
ambiente circolare coperto riscaldato da un focolare centrale dove era assicurato un
ricambio costante d’aria grazie ad un sistema naturale di ventilazione: l’aria riscaldata dal
focolare sale attraverso un buco nel soffitto, risucchiando, da un canale posto all’altezza
dei piedi, aria fresca che colpisce un muretto deflettore posto tra la cavità ed il focolare,
circolando così attraverso il kiva.
Fig.18 – Mesa Verde in Colorado – Schema di funzionamento interno del Kiva
3.5 Le torri del vento iraniane
Alcuni edifici della tradizione iraniana, come anche molte altre numerose opere di edilizia
minore del Pakistan, utilizzano sistemi assai ingegnosi per difendere gli abitanti dalle
condizioni climatiche piuttosto avverse.
Infatti a queste latitudini si assiste all’alternanza di giornate molto calde con notti in cui la
temperatura si abbassa considerevolmente.
Oltre ai sistemi presenti anche in altri paesi caratterizzati dalle stesse condizioni
climatiche, come l’uso di spessi muri in pietra che sono in grado di stabilizzare la
temperatura ad un valore medio tra quello diurno e notturno, veniva utilizzato il sistema dei
cortili interni alle residenze ricchi di piante e cespugli impiegati per schermare i muri
esterni al manufatto e trattenere, in questo modo, il fresco notturno.
Inoltre gli edifici venivano costruiti addossandoli l’uno all’altro per diminuire l’insolazione e
le perdite complessive di calore.
Il sistema più caratteristico dell’Iran è quello delle torri del vento.
Fig.19 – IRAN – Torri del vento
Una torre del vento iraniana è una sorta di camino diviso in più sezioni da setti verticali
realizzati in mattoni.
Durante la notte la torre del vento si raffredda lentamente e successivamente, durante il
giorno, l’aria, a contatto con la muratura in mattoni, si raffredda diventando a sua volta più
densa, scende conseguentemente verso il basso ed entra nell’edificio.
La presenza del vento accelera, evidentemente, questo processo di circolazione e di
raffreddamento dell’ambiente interno.
L’aria entra nella torre dal lato esposto al vento, scende in basso ed entra nell’edificio
attraverso alcune porte che si aprono sulla sala centrale e sullo scantinato.
La pressione di quest’aria fresca spinge fuori l’aria calda presente all’interno dell’edificio
attraverso le porte e le finestre.
Durante il giorno, la torre si riscalda lentamente e questo calore viene ceduto all’aria
durante la notte creando una corrente ascendente.
Se è necessario un ulteriore raffrescamento degli ambienti interni dell’abitazione, si può
usare questa corrente per aspirare l’aria fresca notturna all’interno dell’edificio.
Quando c’è vento, anche di notte, l’aria può dirigersi verso il basso verso la parte della
torre esposta al vento, scaldandosi, in questo modo, al contatto con la muratura in mattoni,
mentre, contemporaneamente si verrà a creare una corrente di aria ascensionale nella
sezione sottovento della torre.
Fig.20 –Torri del vento – Schema di funzionamento diurno e notturno
Pertanto è possibile utilizzare la torre del vento per raffrescare l’edificio a seconda delle
necessità climatiche delle stagioni, chiudendo opportunamente le comunicazioni tra le
varie sezioni della torre e l’edificio ovvero aprendole secondo le necessità.
Le torri del vento iraniane vengono molto spesso utilizzate insieme a coperture curve o
cupole che contribuiscono, contemporaneamente alle torri, alla creazione del confort
ambientale durante la calura estiva.
Infatti l’aria calda tende a salire nella copertura a volta, molto al di sopra dell’area abitata,
e tale superficie curva offre una superficie maggiore attraverso cui ritrasmette il calore.
Al contrario un tetto curvo riceve la stessa quantità di irraggiamento di un tetto piano che
copre la stessa superficie.
Un effetto ancora più rilevante si raggiunge attraverso l’impiego di una cupola che presenti
nella parte più elevata un’apertura per la circolazione dell’aria.
Fig.21 – Immagine di cupola con le caratteristiche aperture di areazione
Infatti quando c’è ventilazione il passaggio dell’aria sulla superficie curva esterna della
cupola determina un punto di depressione sull’apice della stessa e l’aria interna viene così
risucchiata verso l’esterno.
Fig.22 – Schema di funzionamento cupola
In questo modo viene quindi estratta, dall’interno dell’edificio, tutta l’aria più calda che si è
accumulata nella volta.
L’apertura praticata nella parte più alta della cupola è generalmente sormontata da una
calotta all’interno della quale vi sono praticate altre piccole aperture che convogliano il
vento per aumentare l’effetto che risucchia l’aria.
Esistono inoltre, nell’architettura tradizionale iraniana, anche altri sistemi di raffrescamento
naturale, peraltro più efficaci, che utilizzano anche l’acqua sfruttando, in questo caso,
soprattutto il raffreddamento per evaporazione.
Infatti l’aria, passando sopra la superficie dell’acqua, o su di una parete umida della torre,
riesce a cedere calore all’acqua facendone, pertanto, evaporare una parte considerevole.
Per realizzare queste condizioni, alcune volte, si sfrutta soltanto l’umidità naturale del
muro sotterraneo della torre, oppure del condotto che dalla torre si dirige direttamente agli
ambienti dell’abitazione.
Si può inoltre sfruttare l’evaporazione per il raffrescamento impiegando una vasca con una
fontana che può trovarsi nel sotterraneo della torre del vento oppure nel locale in cui
sbocca il condotto che proviene direttamente dalla torre.
Per raffreddare l’acqua, generalmente, si usa accoppiare più torri del vento con una
cisterna che consiste in un serbatoio interrato o scavato nella roccia, coperto da una
cupola e circondato dalle torri del vento.
In estate, prima che il calore superficiale si propaghi agli strati più profondi dell’acqua,
viene trasportato via dalla corrente d’aria mantenuta attiva dalle torri del vento e che fa
evaporare l’acqua superficiale, mantenendo così fredda la cisterna.
Fig.23 – Sistema cupola-torri per il raffrescamento dell’acqua
3.6 Le ville rinascimentali di Costozza
Questo particolare complesso di ville rinascimentali, situate presso l’abitato di Costozza
(VI), ha conservato come caratteristica comune quella di essere ancora dotate di un
sistema di raffrescamento naturale, che riesce a sfruttare l’aria proveniente da grandi
cavità sotterranee, localizzate al di sotto delle abitazioni, chiamate comunemente covoli.
Fig.24 – Ville di Costozza – Ventilazione naturale attraverso i covoli
La temperatura all’interno di queste cavità, in parte naturali ed in parte scavate dalla mano
dell’uomo, resta pressoché costante durante tutto l’anno mantenendo valori medi intorno
agli 11-12°C.
I covoli sono in diretta comunicazione con l’esterno attraverso numerose aperture situate a
quote diverse tra loro.
Pertanto, soprattutto nei periodi in cui la temperatura dell’aria esterna è maggiore di quella
dell’aria interna, si innesca un moto convettivo di circolazione dell’aria per cui quella calda,
che entra nei covoli dall’apertura in alto, riesce definitivamente ad uscire raffrescata dalle
aperture situate in una posizione più bassa.
Con la finalità di sfruttare in modo appropriato tale fenomeno naturale di raffrescamento
delle ville di Costozza, queste ultime sono state collegate direttamente alle parti inferiori
dei covoli attraverso una serie di cunicoli sotterranei appositamente scavati, comunemente
chiamati “ventidotti”, della lunghezza di qualche centinaio di metri.
Fig.25 – Ville di Costozza – Schema di ventilazione naturale attraverso i ventidotti collegati con i covoli
Questi ventidotti arrivano fino alle cantine delle ville e successivamente da queste l’aria
fresca penetra nei locali che si trovano nella parte più alta dell’abitazione attraverso rosoni
di pietra o di marmo traforato localizzati nei pavimenti dei locali del piano terra.
Se il rosone resta chiuso, durante una giornata del mese di Luglio in cui la temperatura
esterna può arrivare fino a 29° C, la temperatura i n una stanza del piano terra può essere
compresa tra i 20,5° C ed i 21,5° C.
Al contrario con il rosone aperto la temperatura in un ambiente della villa si abbassa fino a
raggiungere la temperatura di 16° C, quando esterna mente si arriva normalmente a 33° C.
4.“Conduzione, Convezione ed Irraggiamento ”
Prima di procedere infine alla trattazione più approfondita sui sistemi solari passivi è
opportuno evidenziare che l’architettura bioclimatica, nel prendere in esame le infinite
possibilità di ricavare calore dalla captazione dell’energia solare, prende spunto da alcune
semplici riflessioni sulle leggi della termodinamica.
La prima legge della termodinamica afferma che :”L’energia non può mai essere né
creata né distrutta; quando una forma di energia scompare, ne compare sempre un’altra
forma di quantità equivalente”.
Ne consegue dunque che, se l’energia termica non si può perdere, essa può essere
convertita in un’altra forma di energia oppure rimanere sotto forma di calore, purchè si
mettano in atto gli opportuni sistemi atti a captarla e accumularla in un edificio.
La seconda legge della termodinamica afferma che :” il calore non può passare
spontaneamente da un corpo più freddo ad uno più caldo: quando avviene un libero
interscambio di calore, è sempre il corpo più caldo che perde energia e quello freddo che
la guadagna”.
Se dunque il caldo va in cerca del freddo, nell’architettura solare si considera che il calore
assorbito o accumulato si sposterà costantemente per raggiungere una condizione di
equilibrio in tutta la massa di un edificio.
Con vari metodi di scambio di calore, l’energia termica andrà dunque sempre in cerca
delle regioni più fredde per condividere la sua “eccitazione molecolare”.
Questo scambio può avvenire in tre modi, che molte volte possono essere presenti
contemporaneamente: per conduzione, per convezione e per irraggiamento.
•
Lo scambio per conduzione avviene tra corpi a contatto diretto o tra parti dello
stesso corpo a diversa temperatura, e maggiore è la velocità del flusso termico a
una data temperatura attraverso una sostanza, maggiore è la sua conduttività.
Si tratta dunque semplicemente della propagazione del calore da una parte più
calda a una più fredda di uno stesso corpo, ovvero la trasmissione della agitazione
termica da particella a particella, senza implicare spostamenti di materia.
È il caso, ad esempio, del passaggio del calore attraverso un muro, le cui facce
siano a temperature diverse.
•
Lo scambio per convezione sfrutta di solito i movimenti circolari dell’aria ed è
comunque necessaria la presenza di un mezzo fluido, ovvero lo spostamento di
materia : il calore si propaga tra due punti attraverso un fluido, come un gas (aria) o
un liquido (aqua). E’ il caso ad esempio di un fluido in un tubo (acqua calda) che
cede, nella parte a contatto, il proprio calore raffreddandosi e diventando più denso.
L’aumento di densità genera un moto di turbolenza all’interno del fluido tendente a
ristabilire un equilibrio termico, moto che scalderà la parte più calda del fluido,
ovvero la meno densa, verso quella fredda, più densa.
•
Lo scambio per irraggiamento avviene senza un contatto diretto: l’energia radiante
è trasmessa sotto forma di onde elettromagnetiche che viaggiano attraverso lo
spazio e i fluidi. E’ il caso ad esempio, del calore che percepiamo davanti al camino
ed è il tipo di riscaldamento che viene diffuso dalla radiazione solare. Possiamo
affermare quindi che tale tipo di scambio termico è quello che garantisce maggiori
caratteristiche di biologicità in quanto non sposta polveri e batteri e non deionizza
l’aria.
5.“Sistemi solari passivi ”
Le strategie d'intervento per sfruttare al meglio le caratteristiche climatiche regionali si
differenziano ovviamente a seconda della zona in cui si opera. Anche se in genere si usa
distinguere quattro zone climatiche principali, il clima locale deve sempre essere
considerato come un fenomeno complesso perchè una strategia che consideri un solo
aspetto può portare a dei buoni risultati per un verso, ma risultare negativa per un altro.
Per ogni fascia climatica e ogni situazione esistono opportune tecniche e opportune
strategie che devono essere però concepite nel loro insieme e che comunque non devono
escludere la possibilità - o la necessità - di essere integrate con i sistemi tradizionali di
controllo dell'ambiente interno.
L'energia solare può essere utilizzata in modo passivo o in modo attivo e per questo
si vuole distinguere fra energia solare passiva ed energia solare attiva.
Con l'espressione "energia solare passiva" si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni in cui l'energia solare viene utilizzata senza alcun ausilio motorizzato e in cui
la distribuzione del calore prodotto avviene grazie ai fenomeni naturali della conduzione,
della convezione e dell'irraggiamento, anzichè mediante l'utilizzazione di pompe o ventole.
Un sistema solare passivo è dunque, per eccellenza, un sistema nel quale la necessità di
impiegare energia per il suo funzionamento è ridotta a zero ed è dunque il massimo dal
punto di vista di quel risparmio energetico al quale, per diversi motivi, tende la bioedilizia.
Detto ciò, è importante sottolineare che la adozione di un sistema solare passivo deve
essere attentamente studiata e valutata tenendo conto del contesto ambientale e
climatico nel quale si inserisce o si inserirà l’edificio su cui intervenire o che dovrà essere
progettato e successivamente realizzato.
Nella gestione di un edificio o di un'abitazione, le strategie solari passive, con diverse
varianti, possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere tre obbiettivi
principali:
1) Per il riscaldamento di un edificio, soprattutto nei climi freddi, attraverso la captazione,
l'accumulo, la conservazione e la distribuzione dell'energia termica solare.
Al fine di raggiungere questo scopo, le principali tecniche passive prevedono l'impiego di
muri termoaccumulatori, di un ottimo isolamento, di una notevole massa termica, di sistemi
di preriscaldamento dell'aria, di superfici vetrate esposte a Sud, di vere e proprie serre
addossate all'edificio e altri accorgimenti ancora.
2) Per il raffrescamento naturale di un edificio, grazie alla ventilazione naturale, alla
schermatura e all'espulsione del calore indesiderato verso dissipatori di calore ambientali
(aria, cielo, terra, acqua). Le principali tecniche impiegate in questo caso prevedono
soprattutto l'utilizzo di condotte d'aria interrate, di camini solari, di una buona massa
termica, della ventilazione indotta, di protezioni dall'irraggiamento diretto e di sistemi per la
deumidificazione o per l'evaporazione dell'acqua. Un esempio di raffrescamento passivo
sono senz’altro le tecniche e gli accorgimenti utilizzati nelle torri del vento iraniane e nelle
ville di Costozza.
3) L'altro importante contributo passivo che si può ottenere dall'energia solare riguarda
l'illuminazione naturale diurna di un edificio, sfruttando sia la luce solare diretta sia quella
diffusa dalla volta celeste.
Per incrementare la luminosità e favorire la penetrazione della luce naturale all'interno
degli edifici sono molto importanti l'illuminazione zenitale, le condotte di luce, la capacità di
diffusione luminosa dei materiali e i meccanismi per l'inseguimento solare.
Nella nostra trattazione, per necessità di sintesi e visto il tempo necessariamente limitato
per il carattere del workshop in corso, affronteremo in maniera specifica le strategie solari
passive finalizzate al riscaldamento e al raffrescamento naturale degli edifici , rimandando
ad ulteriori e auspicabili seminari l’approfondimento degli altri due temi e eventualmente la
trattazione dei sistemi solari attivi come i pannelli solari e i collettori fotovoltaici.
Pertanto, procedendo nel nostro percorso espositivo, appare più che evidente che nella
stagione fredda l'energia solare può dare un contributo significativo al fabbisogno
energetico degli edifici.
A tal fine vengono utilizzati i seguenti meccanismi:
- la captazione solare, in cui l'energia solare captata viene trasformata in calore;
- l'accumulo termico, in cui il calore captato durante il giorno viene accumulato per un
uso successivo;
- la distribuzione del calore, in cui il calore captato e/o accumulato viene indirizzato alle
parti dell'edificio che è necessario riscaldare;
5.1 Captazione solare
Nel caso della captazione solare è importante massimizzare l'accesso della radiazione
solare nell'edificio durante la stagione del riscaldamento, ottimizzando l'utilizzo del sito per
evitare un'eccessiva azione di schermo da parte degli edifici vicini o degli alberi.
E' pure necessario tener conto del microclima, sfruttando piantagioni, la morfologia del
suolo ecc., per proteggere l'edificio dal clima ( vedi l’esempio di Mesa Verde) e quindi
ridurne le dispersioni di calore. La forma stessa dell'edificio è utilizzata per esaltare questi
effetti.
In questo modo l'edificio viene considerato come un enorme collettore "abitato", con
finestre o superfici vetrate relativamente grandi e rivolte a sud, sud-est e sud-ovest.
Il guadagno solare ottenuto applicando dei sistemi solari passivi è la differenza tra la
quantità di energia solare utile che entra nell'edificio e le dispersioni di calore dello stesso.
Oltre che con una scelta accurata dei sistemi di accumulo e di distribuzione del calore,
l'energia solare utile raccolta può essere massimizzata con:
- la scelta di un orientamento ed una inclinazione favorevoli;
- l'installazione di riflettori della luce solare;
- l'evitare ombre riportate;
- l'utilizzo di vetrate con elevata trasmittanza della radiazione solare;
- la scelta di un sistema ad elevato assorbimento della radiazione solare.
Per ridurre le dispersioni di calore possono essere utilizzati i seguenti sistemi:
- vetrate a bassa conduttanza termica;
- schermi isolanti mobili.
Un elevato assorbimento della radiazione solare implica o che la superficie assorbente è
nera o che l'assorbimento apparente è elevato, come nei sistemi a guadagno diretto, di cui
tratteremo più avanti.
Le dispersioni di calore per irraggiamento termico possono invece essere ridotte, in un
certo numero di sistemi a guadagno indiretto, applicando uno strato a bassa emissività
sulla superficie assorbente.
Per controllare il guadagno solare è necessario ricorrere a schermi solari, anche se il loro
utilizzo durante la stagione del riscaldamento sarà in contrasto con la necessità di evitare
ombreggiamenti.
In questo contesto saranno presi in considerazione i seguenti sistemi di mitigazione:
- schermi fissi;
- schermi mobili;
- vegetazione.
5.1.1 Orientamento e inclinazione
La scelta di un orientamento ed una inclinazione favorevoli è il sistema più importante per
ottimizzare il guadagno solare.
In generale, nella stagione del riscaldamento, la quantità maggiore di energia solare è
raccolta da una superficie inclinata rivolta a sud. Ciò non è più vero quando, per esempio,
c'è più sole al mattino che al pomeriggio o viceversa e questa asimmetria può essere
causata da nubi o ombre.
Fig.26
La quantità di energia solare utilizzata dipenderà poi dall'accumulo termico e dal modello
di domanda del calore. E ciò può influenzare la scelta dell'orientamento ottimale. Se la
domanda di calore nel mattino è più bassa che nel pomeriggio, un orientamento verso
sud-ovest può essere più vantaggioso.
Fig.27 – Diagramma radiazione solare giornaliera incidente sul piano verticale
Se il piano della superficie captante non è rivolto esattamente a sud, la quantità di energia
utile raccolta si riduce, anche se solo leggermente fino ad un angolo di 30 °C verso est o
ovest. In questo caso, però, l'efficacia di uno schermo solare può venire drasticamente
ridotta ed è quindi possibile che sia proprio lo schermo, invece del guadagno solare, a
vincolare la scelta dell'orientamento per la stagione del riscaldamento. La fig. 27 mostra
che in inverno, su una superficie verticale rivolta a sud, cade la maggiore quantità di
energia solare. Al contrario, in estate maggiore energia cade su una superficie verticale
rivolta ad est oppure ovest. Ciò ha l'effetto di ridurre i problemi del surriscaldamento per
una superficie vetrata rivolta a sud.
L'inclinazione più corrente delle superfici captanti è quella verticale.
Questo è il risultato di considerazioni spaziali e motivi pratici quali la pulizia dei vetri, lo
scarico di acqua condensata ecc.
Inoltre un isolamento mobile o uno schermo solare sono normalmente più facili da fissare
su una superficie verticale.
Poiché molteplici sono gli aspetti da considerare nella determinazione della inclinazione
ottimale, non può essere data una singola soluzione generale.
La riduzione della pendenza rispetto ad una superficie verticale rivolta a sud comporta:
- una maggiore quantità di energia solare raccolta durante la stagione del riscaldamento
(l’inclinazione alla quale si riceve il massimo di energia, aumenta con l’aumentare della
latitudine);
- una maggiore perdita di radiazione termica verso l’atmosfera: il piano vedrà una più
ampia sezione fredda della volta celeste;
- maggiori problemi di surriscaldamento nell’edificio, specialmente in estate;
- condizioni sfavorevoli per l’applicazione di uno schermo solare orizzontale.
5.1.2 Riflettori solari
L'irraggiamento verso un'apertura solare può essere aumentato posizionando un riflettore
di fronte alla parete vetrata.
I riflettori possono essere superfici metalliche, possibilmente protette da un materiale
trasparente, mentre altre possibilità sono fornite dall'acqua e da superfici a colori chiari.
La riflessione può essere sia speculare che diffusa. Le superfici metalliche lucidate danno
una riflessione principalmente speculare, mentre la maggior parte delle altre superfici
danno una riflessione diffusa.
Può essere necessario modificare l'angolo di un riflettore metallico per massimizzare il
guadagno solare utile durante la stagione del riscaldamento.
Questo è usuale per i riflettori utilizzati in altre applicazioni solari, ma negli edifici solari
passivi ciò può causare problemi di abbagliamento.
L'energia riflessa da un riflettore a diffusione è minore rispetto al caso di una superficie
metallica, perché la riflettanza è spesso minore, inoltre la radiazione riflessa che raggiunge
l'apertura solare è minore a causa della diffusione.
La tab. 1 fornisce la riflettanza speculare di diversi materiali. Per piccoli valori dell'altezza
del sole sull'orizzonte, la riflettanza della superficie è al valore massimo, ma anche così è
solo del 35% e può ridursi se ci sono onde. Ad altezze più grandi del sole la riflettanza
scende ad un 2% perché la maggior parte della radiazione viene trasmessa nell'acqua
(tab. 2).
Alluminio lucidato
0.95
Vernice bianca
0.87
Vernice all’alluminio
0.70
Vernice giallo canarino
0.70
Tab. 1. Riflettanza speculare di diverse superfici
Angolo di incidenza
Riflettanza
0
0.02
45
0.03
60
0.06
75
0.21
80
0.35
Tab. 2. Riflettanza superficiale dell'acqua per diversi angoli di incidenza
5.1.3 Materiali trasparenti
Fig.28 – Trasmittanza di alcuni materiali in funzione dell’angolo di incidenza
Il vetro è il materiale trasparente più comunemente usato in quanto si lascia attraversare
facilmente dalla radiazione luminosa ma riflette la radiazione termica. La fig. 28 mostra la
trasmittanza di alcuni materiali trasparenti in funzione dell'angolo di incidenza.
L'obiettivo ottimale sarebbe di mantenere un'efficiente trasmittanza della energia solare
aumentando la riduzione delle dispersioni di calore. Le proprietà termiche e solari di un
vetro singolo possono essere migliorate aggiungendo uno o più strati di vetro (così si
migliorano le proprietà isolanti in quanto si creano strati di aria nell’intercapedine, anche se
ciò riduce leggermente la trasmittanza solare).
Inoltre l’intercapedine tra gli strati di materiale trasparente può essere riempita con gas
pesante, come l’anidride carbonica, e una superficie selettiva può essere aggiunta al
vetro. Il gas pesante riduce le dispersioni di calore per convezione, mentre la superficie
selettiva, trasparente alla radiazioni luminose, riflette la radiazione termica.
Si possono usare vetri a basso contenuto di ferro. Questi hanno una trasmittanza solare
più alta dei vetri ordinari e sono solo leggermente più costosi.
I materiali trasparenti riflettenti il calore, per evitare il surriscaldamento interno in estate,
riducono l’afflusso di luce solare durante la stagione del riscaldamento. Si stanno
sviluppando materiali trasparenti a trasmittanza variabile, denominati cromogenici, che
possono cambiare la loro trasmittanza per effetto della luce (fotocromici), del calore
(termocromici) e di campo elettrico (elettrocromici).
Altri materiali possibili sono certi polimeri sotto forma di film trasparenti. Alcuni hanno una
trasmittanza solare molto alta e possono essere utilizzati in strutture multistrato per dare
un ottimo comportamento sia termico che solare. Ma molti sono trasparenti alle radiazioni
termiche, non sono rigidi e i loro infissi sono quindi costosi.
Ovviamente anche gli infissi delle finestre giocano un ruolo importante nella dispersione
del calore.
Quelli di legno e di PVC hanno le migliori proprietà termiche. Gli infissi di alluminio sono
confrontabili solo se dotati di barriera termica, anche in relazione ai problemi di
condensazione.
5.1.4 Schermature
Al fine di controllare l'immissione in ambiente di radiazione solare diretta è necessario
utilizzare degli schermi.
E' importante notare che quando si usa uno schermo orizzontale, l'orientamento a sud
dell'edificio o dell'apertura solare è essenziale: basta una piccola deviazione (poco più di
8°) per ridurne l'efficacia.
Fig.29 – Schermi mobili
Fig.30 – Comportamento di schermo orizzontale alla inclinazione della radiazione solare nelle varie stagioni
5.1.4.2. Schermi fissi
La schermatura più efficace per una finestra rivolta a sud è quella orizzontale, mentre per
le finestre rivolte ad est oppure ovest si devono usare schermi verticali. I dispositivi più
semplici sono gli aggetti ed i frangisole. Il difetto principale degli schermi fissi è che l'entità
della schermatura è determinata dalle stagioni solari, piuttosto che da quelle climatiche e
ciò produce effetti schermanti anche in periodi in cui è richiesto un riscaldamento passivo.
Gli schermi fissi tagliano sempre una parte della radiazione diffusa e quindi riducono
l'illuminazione naturale.
5.1.4.3 Schermi mobili
In fig. 31 è mostrata una selezione di schermi mobili quali le tende, gli schermi veri e
propri, le persiane e gli scuretti. Gli schermi mobili dovrebbero essere progettati anche allo
scopo di isolare di notte, durante la stagione del riscaldamento. Gli schermi interni sono
meno efficaci in quanto la luce solare entra comunque nell'edificio e non può essere
efficacemente riflessa all'indietro, ma comunque per questa ragione gli schermi interni
devono avere una colorazione chiara. L'efficienza degli schermi esterni, in quanto
dissipano all'aria l'energia solare assorbita, è del 30% superiore a quella degli schermi
interni, anche se questi ultimi sono più economici e facili da manovrare manualmente . Il
controllo degli schermi può essere sia manuale che meccanico. I controlli manuali sono
realizzati tramite leve, aste, corde e catene, mentre i controlli meccanici fanno uso di
energia elettrica e possono intervenire sia con il consenso manuale che con quello di un
sensore fotoelettrico.
Fig.31 – Esempi di schermi mobili
5.1.5 Vegetazione
Una vegetazione decidua o caducifoglie può essere usata come schermo, ma ciò
comporta comunque una riduzione permanente della radiazione solare incidente e quindi
questo sistema dovrebbe essere evitato, almeno in aree con limitata radiazione solare
invernale.
5.2 Accumulo termico
L'edificio può essere, adottando opportuni accorgimenti, un enorme unità di accumulo di
calore "abitato". Ciò è ottenibile disponendo nelle strutture opportune quantità di materiale
ad alta capacità termica per l'accumulo di energia solare. Questi materiali sono il cemento,
i mattoni, le pietre e l'acqua e dovrebbero essere situati nel pavimento, nelle pareti e nel
soffitto.
In una giornata serena, l'energia solare assorbita da un sistema passivo può superare
largamente la domanda di calore, ma questo esubero di energia può essere accumulato
per essere utilizzato più tardi, quando necessita. Se troppo calore è rilasciato
nell'ambiente si può produrre un surriscaldamento, forzando così gli occupanti ad
abbassare schermi o a ricorrere ad una ventilazione forzata. E in questo modo una parte
potenziale di energia utile verrà perduta. L'accumulo ha quindi due scopi: quello di
recuperare l'energia in esubero e di evitare il surriscaldamento. Inoltre, in certe
circostanze, l'accumulo può assorbire il calore rilasciato dal sistema di illuminazione
elettrica, dagli elettrodomestici e dagli occupanti.
L'efficienza di un accumulo dipende da un certo numero di fattori che possono essere
suddivisi in due categorie:
- le dimensioni e i materiali costituenti l'accumulo;
- i modi in cui il calore viene immagazzinato e rilasciato.
5.2.1 Materiali e spessori
La capacità termica alcuni tra i più comuni materiali da costruzione e dell'acqua è
praticamente indipendente dalla temperatura.
La capacità termica dei più comuni materiali da costruzione dipende principalmente dalla
densità (tab. 3).
Materiale
Calore specifico
Densità
Capacità termica
KJ/Kg °K
Kg/mc
KJ/mc °K
Cemento leggero
1
600
600
Legname
1.21
600
726
Intonaco
1
1300
1300
Mattoni
0.8
1700
1360
Cemento
0.84
2100
1760
Acqua
4.2
1000
4200
Tab. 3. Calore specifico, densità e capacità termica di diversi materiali (9).
La massa (in questo caso la massa termica) è quindi una buona misura della capacità
termica. Comunque la massa efficace per l'accumulo è generalmente minore della massa
totale. Questa massa dipende fortemente dalla frequenza con la quale l'accumulo è
caricato e poi scaricato. Il gradiente di temperatura attraverso il materiale dell'accumulo si
riduce con la distanza dalla superficie riscaldata, ossia il materiale partecipa sempre meno
all'accumulo. Lo spessore che gioca un ruolo è quello "effettivo": per l'usuale ritmo di
carica e scarica, 24 ore, questo spessore per i più comuni materiali da costruzione varia
tra 6 e 12 cm. Non serve quindi costruire pareti e solai con spessori pieni superiori a 8-16
cm, quando il calore viene fornito su un solo lato.
L'acqua presenta generalmente le migliori caratteristiche ed inoltre, per effetto della
circolazione naturale, è possibile ottenere un accumulo praticamente isotermo, se il
progetto riesce a limitare il fenomeno della stratificazione.
5.3 Distribuzione del calore solare
La distribuzione ha lo scopo di far giungere il calore solare a tutti i locali in cui necessita e
dipende direttamente dal progetto dell'edificio e del sistema di riscaldamento.
Obiettivo del progettista è quello di minimizzare la rete di distribuzione. Il sistema più
efficace per distribuire l'energia solare è quello di disporre i locali in modo che l'energia sia
raccolta ed accumulata direttamente al loro interno o nelle immediate vicinanze.
La distribuzione dell'energia solare nell'ambiente deve poi prevenire la formazione di forti
gradienti tra le temperature superficiali e quella dell'aria. Se, ad esempio, in un sistema
diretto sono disponibili quantità sufficienti di massa termica primaria e secondaria, la
distribuzione per scambio di calore tra le pareti (scambio radiativo) e tra le pareti e l'aria
(scambio convettivo) sarà adeguata.
Fig.32 – Distribuzione del calore all’interno di un edificio passivo con flussi termoconvettivi naturali
Se troppo calore solare è rilasciato nell'ambiente, questo può essere parzialmente
trasferito ad un locale adiacente semplicemente aprendo una porta. La circolazione
dell'aria da una stanza all'altra può essere meglio attivata se l'altezza della porta si
estende sino al soffitto, evitando così la formazione di aria calda stagnante in prossimità
del soffitto. La quantità di radiazione termica trasmessa al locale adiacente sarà invece
molto piccola.
Fig.33 – Distribuzione del calore all’interno di un edificio passivo con flussi termoconvettivi regolati da
canalizzazioni e ventilatori
Con un sistema di accumulo isolato o per il recupero di un forte esubero di energia solare
sul lato sud dell'edificio, si richiede un sistema di distribuzione più complesso. Un sistema
di riscaldamento ad aria centralizzato può regolare la distribuzione mediante il ricircolo
dell'aria interna. Può essere però rischioso progettare un edificio dove la distribuzione ha
luogo esclusivamente per mezzo della circolazione naturale (convezione pura e moto
dell'aria prodotto dalla pressione del vento). La fig. 32 fornisce un esempio di questo
tentativo per un edificio solare a più zone. La resistenza al flusso dell'aria (ad esempio in
un letto di pietre) può comportare una velocità inferiore a quella risultante dalle infiltrazioni
e dalla ventilazione meccanica: in questo caso il sistema non funzionerà. E' più sicuro
affidarsi a canali dell'aria e ventilatori per il trasferimento del calore: la fig. 33 illustra un
tipico esempio.
5.4 “Sistemi di riscaldamento passivi”
I sistemi di riscaldamento solare passivo possono essere classificati sulla base dei
seguenti tre fattori:
- le caratteristiche dell'apertura per la raccolta della radiazione solare;
- l'interazione tra radiazione solare e accumulo termico;
- il sistema di rilascio dell'energia nello spazio riscaldato.
I tipi alternativi di apertura solare sono i seguenti:
- apertura a sud costituita da un elemento vetrato verticale sulla parete sud che raccoglie
l'energia solare principalmente dalla zona sud del cielo (sole invernale);
- apertura di un tetto a "shed" costituita da elementi vetrati verticali ed elementi opachi
inclinati che raccolgono la radiazione solare principalmente dal cielo a sud (sole
invernale);
Fig.34 – Schemi di sistemi solari passivi
- apertura a soffitto costituita da un collettore orizzontale o inclinato che normalmente
raccoglie l'energia solare dalla parte alta del cielo (sole sia invernale che estivo);
- apertura isolata, cioè separata dall'edificio che può essere posizionata con qualsiasi
angolo per raccogliere energia solare da ogni parte del cielo.
I tipi di accumulo termico sono i seguenti :
- accumulo termico primario definito come l'area di stoccaggio colpita direttamente dalla
radiazione solare;
- accumulo termico secondario definito come l'area dei materiali strutturali disposti
all'esterno dell'area illuminata, ma che è in contatto termico radiativo con l'accumulo
primario e di cui è il supplemento;
- accumulo termico isolato, ossia nascosto alla vista termica dei due precedenti
accumuli e quindi non in contatto radiativo con essi. Il trasferimento di calore all'accumulo
isolato è possibile solo tramite convezione, sia naturale che forzata.
I meccanismi di trasferimento dell'energia sono i seguenti:
- sistemi a guadagno diretto in cui l'accumulo primario è all'interno dello spazio abitato e
la sua superficie, che raccoglie la radiazione solare, riimmette l'energia termica nello
stesso spazio;
- sistemi a guadagno indiretto in cui l'accumulo termico primario fa parte del
tamponamento esterno dell'edificio, per cui la radiazione solare è assorbita direttamente
dall'accumulo senza entrare direttamente nello spazio abitato. L'accumulo termico agisce
come elemento moderatore tra superficie di raccolta e spazio interno;
- sistemi a guadagno isolato in cui la superficie di raccolta è separata dall'accumulo
termico ed il trasferimento dell'energia deve essere attivato tra i due o dal collettore allo
spazio abitato direttamente.
Tutti questi sistemi possono poi essere combinati tra loro in una varietà di modi quasi
infinita.
I tipi più comuni di sistemi utilizzati, per ogni differente meccanismo di trasferimento
dell'energia, sono descritti nel seguito.
5.4.1 Guadagno diretto
Il sistema a guadagno diretto è il più semplice ed è costituito da un edificio ben isolato con
ampie finestre rivolte a sud. Le finestre permettono la trasmissione della radiazione solare
invernale, incidente con bassa angolazione.
In estate l'elevata altezza del sole riduce l'insolazione trasmessa, mentre un aggetto può
anche escluderla completamente.
L'edificio necessita di una massa termica per accumulare il calore durante il giorno e
riimmetterlo durante la notte. Questa massa termica è generalmente costituita da pareti in
muratura isolate esternamente e/o da un pavimento massivo con isolamento perimetrale o
nell'estradosso.
La radiazione solare colpisce direttamente la massa termica e l'energia viene accumulata,
riducendo così le fluttuazioni di temperatura dell'aria interna.
Fig.35 – Guadagno diretto - schema
Pertanto I requisiti base di un sistema a guadagno diretto sono:
- un'ampia superficie vetrata rivolta a sud e in comunicazione diretta con lo spazio abitato;
- una massa termica esposta nel soffitto e/o nel pavimento e/o nelle pareti con area e
capacità termica opportunamente dimensionate e posizionate per l'esposizione alla
radiazione solare e per l'accumulo;
- un isolamento della massa termica dalle condizioni climatiche esterne.
Molti edifici moderni hanno grandi vetrate rivolte a sud, ma la mancanza di un accumulo
termico impedisce di sfruttare completamente il loro guadagno solare, causa il fenomeno
del surriscaldamento.
Fig.36
Oltre questi requisiti base, esiste una serie di varianti che consente varie alternative
all'interno dei sistemi a guadagno diretto. Le varianti più comuni riguardano la scelta e il
posizionamento dei materiali della massa termica. L'accumulo primario può avere varie
configurazioni: a pavimento o come massa libera all'interno del locale, a soffitto o come
parete interna o esterna. La distribuzione o la concentrazione della massa termica
consente una prima suddivisione dei sistemi passivi a guadagno diretto.
Fig.37
Entrambi hanno una vetrata rivolta a sud, ma differiscono per il modo con cui la luce
solare viene distribuita quando penetra nell'edificio. Uno consente alla radiazione solare di
colpire un'area concentrata di massa termica (fig. 36) e l'altro diffonde o riflette la luce
solare in modo da distribuirla su una più ampia area di massa termica (fig. 37).
I materiali utilizzati per la massa termica possono variare dal cemento ai mattoni all'acqua
e/o altri liquidi, scelti singolarmente o in varie combinazioni.
Attualmente i due materiali maggiormente usati per l’accumulo termico sono la muratura e
l’acqua.
Vantaggi:
- il guadagno diretto è il più semplice sistema di riscaldamento solare e quindi il più facile
da realizzare. In molti casi lo si ottiene semplicemente ridistribuendo le finestre;
- l'ampia superficie vetrata non consente soltanto l'ingresso di un'elevata quantità di
radiazione solare per il riscaldamento, ma permette di ottenere un elevato standard di
illuminazione naturale assieme ad un migliore rapporto visuale con l'esterno;
- il materiale per le vetrate è ben conosciuto e di basso costo, oltre che facilmente
reperibile;
- il sistema può essere considerato uno dei metodi meno dispendiosi per il riscaldamento
solare degli ambienti.
Difetti:
- grandi aree vetrate possono produrre abbagliamento di giorno e una perdita di privacy;
- la radiazione ultravioletta contenuta nella radiazione solare può degradare tessuti e
fotografie;
- per raggiungere un elevato risparmio energetico sono necessarie ampie superfici vetrate
e quindi grandi masse termiche per attenuare le variazioni di temperatura: queste masse
possono essere costose, soprattutto se non hanno funzioni strutturali;
- l'isolamento notturno dell'apertura solare è sicuramente necessario per i climi più freddi e
questo può risultare costoso e difficoltoso.
5.4.2 Guadagno indiretto
Per guadagno indiretto in un sistema di riscaldamento solare passivo si intende il processo
per il quale la radiazione solare colpisce una massa termica collocata tra il sole e lo spazio
abitato: l’energia solare assorbita dalla massa viene convertita in energia termica (calore)
e quindi trasmessa lentamente allo spazio abitato.
I muri Trombe, massivo (pareti solari), nonché il tetto d'acqua e la serra addossata sono
tutti sistemi a guadagno indiretto che combinano, in alcune parti del tamponamento
esterno dell'edificio, le funzioni di raccolta e accumulo della radiazione solare e di
distribuzione del calore.
Le pareti solari in muratura funzionano assorbendo la radiazione solare sulla superficie
esterna per poi ritrasmetterla o attraverso il muro per conduzione o attraverso aperture di
areazione nel muro stesso per convezione naturale.
In entrambi i casi la superficie esterna viene di solito dipinta di nero o di azzurro per
assorbire il più possibile la radiazione solare e convertirla in calore.
La radiazione solare passa attraverso il vetro ed è assorbita dal muro, riscaldandone la
superficie.
5.4.2.1 Muro Trombe e massivo
Fig.38
La differenza tra il muro Trombe e quello massivo (fig. 38) è che in quest'ultimo sono
praticate aperture di aerazione, sia nella parte bassa che in quella alta della parete, per
permettere la circolazione dell'aria attraverso lo spazio riscaldato. Il sistema Trombe è
stato così denominato a seguito del lavoro pionieristico condotto da Felix Trombe e
Jacques Michel in Francia.
Gli elementi richiesti dai sistemi con muro Trombe e massivo sono un'ampia superficie
vetrata rivolta a sud con una massa termica di accumulo posta immediatamente al suo
interno. La scelta dei materiali per l'accumulo comprende cemento, pietre e muratura di
mattoni. La radiazione solare, incidente sulla parete massiva, viene assorbita
producendone il riscaldamento superficiale.
Questo calore, sotto forma di un'onda smorzata di temperatura, è trasferito per conduzione
alla superficie interna del muro e da questa trasmesso all'ambiente per irraggiamento e
convezione.
Il ritardo e lo smorzamento dell'onda di temperatura, durante questo trasferimento,
dipendono dal materiale scelto per l'accumulo: il tempo di ritardo è ad esempio di circa 18
minuti per ogni centimetro di cemento. Il muro trombe permette inoltre di distribuire il
calore mediante la convezione naturale: il volume d'aria nell'intercapedine tra vetrata e
massa termica può raggiungere temperature abbastanza elevate, in una giornata serena
(60°C) e minore è lo spessore dell’intercapedine e quindi della massa d’aria da riscaldare,
maggiore è la temperatura dell’aria.
Per mezzo delle aperture di aerazione alla base e nella parte alta della massa d'accumulo,
l'aria calda può salire ed entrare nell'ambiente, richiamando l'aria più fredda della stanza
all'interno del collettore attraverso le aperture della parte bassa. Le aperture dovrebbero
essere controllate a mezzo di serrande per impedire la circolazione inversa durante la
notte.
Per raggiungere l'efficienza ottimale di questi sistemi è necessario ridurre in inverno le
perdite di calore verso il cielo di notte o durante una giornata con cielo coperto: questo si
può ottenere mediante una serranda esterna isolante o aumentando la resistenza termica
della vetrata (vetri doppi o riflettenti il calore), oppure applicando uno strato selettivo sulla
superficie del muro, che sia caratterizzato da un elevato assorbimento della radiazione
solare e da una bassa emissività della radiazione termica.
In estate può essere impedito il riscaldamento della massa d'accumulo tramite aggetti,
isolamenti mobili o mediante aperture di aerazione in comunicazione con l'esterno. Per
certi climi il muro Trombe può essere usato in estate come camino solare: in questo modo
il movimento continuo dell'aria sottrae calore all'edificio, richiamando aria più fredda, ad
esempio dal lato nord, per la ventilazione.
Vantaggi:
- le fluttuazioni di temperatura nello spazio abitato sono più basse rispetto a quelle di un
sistema a guadagno diretto;
- il comportamento di un muro d'accumulo termico è sufficientemente conosciuto.
Svantaggi:
- la superficie esterna del muro massivo è relativamente calda (poiché la trasmissione
dell'energia attraverso il muro è lenta) e sente la vicinanza del clima esterno: ciò porta a
considerevoli perdite di calore e quindi di efficienza.
- sono richieste due pareti rivolte a sud, una vetrata e l'altra massiva, con le ovvie
penalizzazioni in termini di costo e spazio impegnato;
- la necessità di una sufficiente massa termica deve essere mediata con i requisiti di
visibilità e di illuminazione naturale dell'ambiente interno;
- il progetto del muro Trombe deve consentire l'accesso per la pulizia della superficie
vetrata;
- la condensa sulla superficie vetrata può essere un problema;
Figg.39 – 40 – Schema di funzionamento muro trombe ed esempi di realizzazioni
5.4.2.2 Muro d'acqua
Fig,41
Il muro d'acqua è lo stesso sistema del muro massivo e Trombe con la sola differenza che
l'acqua sostituisce la parete solida (fig. 41). Poiché l'acqua ha una capacità termica
superiore a quella dei mattoni e del cemento e inoltre le correnti convettive al suo interno
la rendono un accumulo termico quasi isotermo, il sistema può lavorare con un'efficienza
maggiore rispetto al muro massivo o Trombe.
5.4.2.3 Muro di accumulo isolato
Fig.42
Il muro d'accumulo isolato (fig. 42) è simile nella forma al muro Trombe, ma è coibentato
sulla parete rivolta verso l'ambiente interno, per impedire la trasmissione del calore per
conduzione e irraggiamento: tutto il calore è trasmesso per convezione, sia naturale che
forzata.
Il comportamento di questo sistema in un clima freddo è alquanto discutibile e comunque
funziona solo in presenza di un isolamento notturno.
Una variante di questo sistema ha aperture di aerazione in comunicazione con l'esterno
nella parte bassa del collettore e rivolte verso lo spazio da riscaldare nella parte alta: si
crea così un circuito aperto a termosifone che fornisce all'ambiente aria di rinnovo
preriscaldata.
5.4.2.4 Tetto d’acqua (roof pond)
Fig.43
La massa termica è disposta orizzontalmente, sopra il soffitto dell'edificio (fig. 43). La
maggior parte dei tetti ad accumulo termico usano contenitori, tipo materassino d'acqua,
coprenti una parte o tutto il soffitto. L'acqua deve essere in contatto diretto con le strutture
del soffitto che la sostengono, così l'energia termica viene trasmessa per conduzione
attraverso il soffitto per poi riscaldare l'ambiente per irraggiamento.
Durante la notte o nei periodi di cielo coperto, un isolamento copre l'acqua calda e ne
riduce le perdite di calore.
L'accumulo d'acqua sul tetto può essere usato anche per il raffrescamento estivo. In
questo caso, l'isolamento copre l'accumulo d'acqua durante il giorno e l'acqua assorbe
l'eccesso di calore proveniente dall'edificio poi, di notte, quando l'isolamento viene tolto,
questo calore viene irraggiato verso il cielo notturno più freddo.
La combinazione ottimale di queste condizioni climatiche capita nelle regioni caldo-aride
dove le temperature in inverno sono sempre sopra il punto di congelamento dell'acqua e
d'estate il tetto d'acqua può fornire un valido aiuto al raffrescamento naturale, in quanto
l'irraggiamento notturno è favorito da un'atmosfera secca e trasparente.
L'uso di una superficie vetrata o di contenitori traslucidi posizionati sopra lo specchio
d'acqua sono soluzioni già utilizzate per ridurre sia l'evaporazione che le perdite di calore.
Vantaggi:
- il tetto d'acqua è la soluzione opportuna nel giusto clima, particolarmente alle basse
latitudini con climi secchi, dove è richiesto sia riscaldamento che raffrescamento;
- il sistema permette di realizzare un microclima interno stabile ed uniformemente
distribuito e le fluttuazioni di temperatura nell'edificio possono essere effettivamente
basse;
Svantaggi:
- il trasferimento di calore sotto forma radiativa vuole che con questo sistema si possano
riscaldare edifici ad un solo piano o l'ultimo piano di un edificio multipiano. Lo specchio
d'acqua deve coprire almeno la metà del soffitto, se si vuole raggiungere un risparmio
energetico significativo;
- la pesante massa d'acqua sopra il soffitto impone maggiori requisiti e costi strutturali e
può essere psicologicamente inaccettabile, soprattutto nelle zone sismiche;
- il sistema non è valido per i climi in cui la neve è frequente;
- la bassa angolazione dei raggi solari in inverno suggerisce che il sistema non è valido
per le alte latitudini, a meno che non sia inserito in un tetto inclinato, ma anche così la sua
efficienza è discutibile;
- il tetto d'acqua richiede un'attenta progettazione e realizzazione.
5.4.2.4 Serra addossata
Fig,44 – Funzionamento diurno e notturno di serra addossata
La serra è costituita da una chiusura vetrata sulla facciata sud avente una massa di
accumulo nella parete di separazione o comunque all'interno della serra stessa.
La serra viene usata per il preriscaldamento dell'aria di rinnovo.
L'uso di isolamenti mobili durante il periodo notturno aumenta in tutti i sistemi citati il
rendimento energetico.
Una serra solare addossata o aggiunta, (figg. 44-45) consiste di uno spazio chiuso e
vetrato disposto sul lato sud di un edificio. A seconda del clima e del tipo di utilizzo della
serra solare, può esserci una parete di accumulo termico che separa la serra dall'edificio,
o altri accumuli termici all'interno dello spazio solare: ciò serve per normalizzare la
temperatura sia nella serra che nella casa.
Fig,45 – Schema serra addossata
Normalmente la serra non viene termoregolata, per cui non è necessario fornire calore
ausiliario. In molti casi la serra è utilizzata per preriscaldare l'aria di rinnovo della casa.
Per la raccolta dell'energia solare è possibile utilizzare la serra in due differenti modi. La
serra può agire come uno spazio non riscaldato a guadagno diretto, nel qual caso si
possono introdurre delle masse, costituite da pareti in muratura e da pavimenti oppure
acqua, e degli isolamenti mobili in modo che lo spazio possa essere visto come
un'estensione economica della casa, da abitare il più a lungo possibile durante l'anno.
Alternativamente è possibile utilizzare la serra come un collettore solare e inviare l’aria
calda ad un accumulo isolato, situato all'interno o sotto l'edificio da riscaldare.
Le temperature all'interno di una serra variano fortemente, per cui non sarà opportuno
viverci o crescere piante se non utilizzando opportuni controlli della radiazione solare e
certamente il sistema non è raccomandabile nei climi del sud Europa.
Una serra solare può avere una grande varietà di configurazioni geometriche come
semplici aggiunte alla parete sud, oppure semiaggettanti o incassate nell'edificio
(circondate sui tre lati da locali abitati), coprenti l'intera larghezza della casa e di altezza
pari al semplice piano o a più piani. Anche una serra distaccata può fornire aria calda
all'edificio tramite ventilatori e condotti.
Fig.46 – Serra addossata
Fig.47 – Serra addossata
Fig.48 – Serra incassata
Il sistema di distribuzione dell'energia raccolta in una serra solare sarà determinato dal tipo
di clima esterno, dall'uso dello spazio solare, come collettore o come sistema a guadagno
diretto, e dal tipo di collegamento tra serra e spazio abitato.
Sono necessari degli schermi per prevenire il surriscaldamento e una certa capacità di
ventilazione deve essere vista come un livello minimo indispensabile di controllo.
È buona norma, nella progettazione della serra, che risulti apribile, ai fini della ventilazione
naturale nel periodo caldo, almeno la metà della superficie vetrata costituente l’involucro
della serra.
Degli isolamenti mobili impedirebbero perdite di calore nelle notti invernali o durante le
giornate coperte, ma il rapporto efficienza-costi dovrà essere attentamente esaminato. Un
minimo di riscaldamento ausiliario deve essere previsto per evitare il pericolo del gelo,
quando nella serra sono presenti piante ed acqua.
Vantaggi:
- il microclima interno di una casa viene considerevolmente migliorato con l'aggiunta di un
"tampone termico" tra lo spazio abitato e l'aria esterna. Una serra può coprire l'intera
facciata dell'edificio, riducendo le sue perdite di calore per trasmissione e ventilazione. Le
fluttuazioni di temperatura nello spazio abitato sono inferiori rispetto ad un sistema a
guadagno diretto;
- la serra può servire anche per scopi non energetici: per esempio come spazio abitabile
addizionale o come serra per piante;
- la serra è facilmente adattabile agli edifici esistenti;
- la serra può essere facilmente combinata con altri sistemi passivi.
Svantaggi:
- nei climi caldi ci sono problemi di surriscaldamento in estate;
Fig,49 – Surriscaldamento estivo
- la serra può essere soggetta a forti variazioni di temperatura;
- il soffitto a vetri della serra può produrre il rapido raffreddamento notturno di qualsiasi
massa termica;
- l'energia termica è fornita alla casa come aria calda: è più difficile accumulare calore
dall'aria che non dalla radiazione solare diretta;
- la serra, intesa come estensione dello spazio abitato, può essere utilizzata solo per un
periodo limitato durante l'anno;
- la serra può rappresentare un risparmio energetico relativamente modesto se confrontato
ai suoi costi, anche se è difficile valutarne gli extracosti in quanto essa fornisce altre
piacevolezze.
5.4.3 Guadagno isolato
Fig,50 – Guadagno isolato – Sistema a termosifone
In un sistema a guadagno isolato il collettore solare è termicamente isolato dagli ambienti
dell'edificio.
Nei sistemi passivi il trasferimento di energia dal collettore all'ambiente o all'accumulo e
dall'accumulo all'ambiente avviene solo attraverso processi non meccanici, come la
convezione e l'irraggiamento. Il più comune tra questi processi di trasferimento dell'energia
è una forma particolare di convezione conosciuta come effetto termosifone: l'aria è
riscaldata nel collettore, diventa meno densa e si alza, richiamando aria più fredda dal
basso; l'aria più calda trasferisce la sua energia all'accumulo isolato o alla stanza ed ai
suoi occupanti, si raffredda e ricade verso il basso per essere ripresa dal collettore, da cui
il ciclo continua fintanto che il collettore rimane sufficientemente caldo.
5.4.3.1 Termosifone
Un particolare tipo di collettore a guadagno isolato è conosciuto come sistema a
termosifone anche se un anello convettivo viene utilizzato in molti altri sistemi. Un
collettore piano, di materiale leggero e protetto da una superficie vetrata, viene situato
nella posizione più efficace ai fini del guadagno solare, ma comunque separato e
sottostante l'accumulo termico. Il flusso di aria calda è spinto dalla differenza di densità tra
le due colonne di aria riscaldata e fredda e l'entità del moto dipende dalla differenza tra le
temperature dell'aria nel collettore e nell'accumulo e dal dislivello tra i due.
Vantaggi:
- gli anelli convettivi costituiscono uno dei sistemi più economici per fornire calore solare;
- i collettori a termosifone possono essere separati dall'edificio per ottenere il massimo
guadagno solare e possono essere facilmente integrati in edifici esistenti;
- poiché il collettore è termicamente isolato dal resto dell'edificio, le perdite di calore di
quest'ultimo sono minori rispetto agli altri sistemi passivi.
Svantaggi:
- l'energia termica è fornita con aria calda: è più difficile accumulare calore dall'aria che
non dalla radiazione solare diretta;
- il collettore deve essere situato al di sotto dell'accumulo termico;
- un sistema sovradimensionato può dar luogo a temperature troppo alte nei climi caldi,
soprattutto quando si usa un accumulo isolato;
- l'efficienza del sistema, quando usato con accumulo distaccato, è discutibile nei climi
freddi e nuvolosi.
5.4.3.2 Il sistema Barra-Costantini
Fig,51 – Guadagno isolato – Sistema Barra-Costantini
Un particolare tipo di collettore a termosifone è stato sviluppato da O. Barra e T. Costantini
nel sud dell'Italia e sembra funzionare bene in quel clima. La parete sud dell'edificio
contiene un collettore di materiale leggero, protetto da una superficie vetrata e isolato
rispetto all'ambiente interno con uno strato di coibentazione. L'aria riscaldata da questo
collettore, circola attraverso condotti ricavati in solai, pareti e pavimenti massivi e rilascia
la sua energia a questi elementi prima di ritornare al collettore. Detti elementi sono
coibentati esternamente e forniscono calore all'ambiente per convezione e irraggiamento.
Le condizioni di benessere risultano migliorate da una temperatura radiante superficiale
più elevata ed uniformemente distribuita.
5.5 Sistemi di raffrescamento
Il raffrescamento non è un problema generalizzato in Europa, anche se nelle aree
mediterranee le elevate temperature estive possono causare un disagio ambientale. Molte
delle metodologie di raffrescamento passivo di seguito elencate sono comunque già state
utilizzate nelle tecniche costruttive tradizionali locali.
I sistemi principali di raffrescamento naturale sono:
· Irraggiamento verso il cielo notturno: come già descritto trattando dei tetti d'acqua,
una massa termica sul tetto è esposta al cielo notturno e si raffredda per irraggiamento. Di
giorno la massa fredda viene isolata sulla sua superficie esterna ed esposta all'ambiente
interno per fornire un raffrescamento sia radiativi che convettivo.
· Raffreddamento evaporativo: in un ambiente caldo-secco l'aggiunta di umidità all'aria
diminuisce la sua temperatura di bulbo secco, migliorando così il grado di benessere. Ciò
può essere ottenuto spruzzando acqua in una corrente d'aria o disponendo specchi
d'acqua o fontane in un cortile interno.
· Ventilazione indotta: il sole può essere utilizzato per indurre movimenti dell'aria; con un
"camino termico" si può attivare una ventilazione naturale ed aumentare il grado di
benessere.
· Edificazione interrata: la temperatura quasi costante del terreno (circa 13°C, ma
dipendente dalla latitudine del luogo) durante tutto l'anno, può essere utilizzata per ridurre
le perdite di calore attraverso le pareti di un edificio.Si deve comunque fare attenzione ai
problemi di umidità da contatto.
· Come i sistemi di riscaldamento già discussi, anche i sistemi di raffrescamento passivo
possono essere classificati nei tipi diretto, indiretto e isolato e a seconda della possibilità
di disperdere l'eccesso di calore verso i seguenti tre "scarichi" alternativi: nel cielo per
irraggiamento, nell'aria per convezione e nel terreno per conduzione (fig. 52).
Fig. 52. Sistemi di raffreddamento passivo.
5.5.1 Il raffrescamento passivo
L'importanza del raffrescamento passivo è dovuta al fatto che il fabbisogno di
raffreddamento degli edifici è rapidamente aumentato negli ultimi anni provocando
problemi ambientali, economici e soprattutto elettrici. Questi sistemi sono decisamente da
preferirsi ai tradizionali impianti di condizionamento (soprattutto quelli di dimensioni
contenute) che utilizzano clorofluorocarburi i quali sono considerati tra i principali
responsabili del buco nell'ozono e dell'effetto serra. Nei periodi molto caldi un edificio può
essere "rinfrescato" in modo naturale tramite la protezione dall'irraggiamento solare,
l'inerzia termica, sistemi di ventilazione naturale, irraggiamento notturno ed evaporazione.
Il raffreddamento radiativo si esplica attraverso la cessione radiativa notturna
(particolarmente elevata per per superfici orizzontali di copertura in condizioni di cielo
sereno) dalla superficie dell'involucro edilizio verso il cielo.
Attraverso l'utilizzo di masse di accumulo raffreddate con tale meccanismo naturale si
possono ottenere risultati soddisfacenti.
Il raffreddamento evaporativo sfrutta invece l'abbassamento di temperatura dell'aria che si
verifica a seguito dell'evaporazione dell'acqua. L'evaporazione diminuisce all'aumentare
dell'umidità relativa dell'aria fino ad annullarsi per alti valori (condizioni di saturazione) di
quest'ultima.
Questo sistema (che viene utilizzato anche nelle "Torri del Vento" iraniane) può essere
utilizzato sia per ambienti esterni che interni utilizzando spruzzatori d'acqua, fontane e
pellicole d'acqua in movimento. Sono state sperimentate delle "torri evaporative" che
hanno alla sommità spruzzatori d'acqua che attraverso l'evaporazione raffreddano l'aria
presente nella parte alta della torre la quale, aumentando di densità, scende verso il basso
raffreddando l'aria dello spazio sottostante.
Un aspetto fondamentale del raffrescamento passivo è la riduzione delle fonti di
riscaldamento attraverso la scelta di impianti che riscaldino meno (ad esempio lampade ad
alto rendimento) e applicando una ventilazione puntiforme collegata all'esterno.
Anche la massa termica dell'edificio ha una funzione molto importante: per esempio, muri
spessi costituiti di materiali ad alta capacità termica immagazzinano il calore durante il
giorno e lo diffondono durante la notte. Lastre di materiale ad alta capacità termica come il
cemento, applicate al tetto di un edificio e coperte da pannelli isolanti mobili che le riparino
di giorno dal calore e possano essere rimossi la sera, accumulano l'aria fresca notturna.
Anche la presenza di vegetazione, che creando ombra e traspirando acqua ha effetti
raffrescanti, è un fattore importante.
Elemento caratteristico del raffrescamento anche grazie all'azione di movimento d'aria che
favorisce l'evaporazione, la ventilazione degli edifici può essere indotta meccanicamente o
naturalmente, sfruttando cioè le caratteristiche dei venti presenti nell'area.
Sistemi a bagnatura per raffreddare tetti o grandi vetrate consistono nell'installazione di
sistemi a spruzzo e nebulizzazione, serbatoi coperti di giorno e scoperti la notte per
immagazzinare il fresco sui tetti o, per le vetrate, di pellicole a liquido in movimento.
Il raffreddamento per evaporazione si può realizzare anche attraverso l’adozione di camini
solari, tramite i quali l’aria scaldata in alto dalla radiazione solare sfruttando la naturale
tendenza dell’aria calda a salire verso l’alto e applicando adeguate aperture di tiraggio sia
sulla parte alta del camino che sulle pareti a nord dell’edificio, innesca un moto convettivo
di aria la quale viene fatta passare su masse d’acqua in movimento per diminuire la
temperatura interna dell’ambiente.
Fig. 53. Schema di funzionamento camino solare.
Nel raffrescamento evaporativo diretto, sistema adatto ai climi secchi perché l'aria viene
umidificata, l'aria esterna è immessa all'interno attraverso flussi imbevuti d'acqua.
Nel raffrescamento evaporativo a due stadi, invece, l'aria raffreddata da evaporazione
diretta è usata per raffreddare altra aria esterna attraverso uno scambiatore di calore.
Il raffrescamento attraverso il terreno può avvenire per conduzione, nel caso di edifici
interrati o per convezione, con l'installazione di tubi per la circolazione dell'aria interrati
5.5.2 La ventilazione naturale passiva
La ventilazione naturale agisce sul benessere attraverso due meccanismi, uno indiretto e
l’altro diretto: il primo influenza il bilancio termico dell’edificio, il secondo quello
dell’individuo (consentendo di incrementare gli scambi convettivi tra uomo e ambiente con
conseguenze positive sul benessere termico). - La ventilazione naturale dà luogo a
raffreddamento tramite le correnti d’aria generate da fenomeni naturali come l’azione del
vento e l’effetto camino.
L'impiego di sistemi a ventilazione passiva negli edifici, in alternativa a quelli di
ventilazione meccanica, ha un'importanza strategica nella politica energetica e ambientale
dei paesi industrializzati e, in modo ancora più rilevante, di quelli in via di sviluppo.
Tali sistemi, infatti, producono una serie di effetti positivi, riassumibili nei seguenti:
Riduzione dei consumi energetici, e quindi della dipendenza dal petrolio, connessi con le
esigenze di ventilazione e raffrescamento degli ambienti, queste ultime, particolarmente
nelle zone a clima caldo e nei periodi caldi delle zone a clima temperato;
Conseguente riduzione delle emissioni inquinanti dell'aria, incluse quelle di gas serra
responsabili del progressivo riscaldamento globale medio del pianeta, derivanti dall'utilizzo
energetico di combustibili fossili;
Riduzione dei rischi dì inquinamento biologico (sick building syndrome, legionella) legati
errori di progetto (presenza di ristagno d'acqua) e/o all'inefficienza di gestione (poca
frequenza nella sostituzione dei filtri), che possono caratterizzare gli impianti di
climatizzazione e quelli di ventilazione meccanica.
I principali sistemi di ventilazione passiva a vento sono i seguenti:
- ventilazione passante (orizzontale o verticale)
- ventilazione a lato singolo (singola apertura o apertura multipla)
- sistema combinato vento-effetto camino
Si schematizza di seguito (fig.54) il funzionamento tali sistemi, ad eccezione di quelli ibridi,
con alcune indicazioni sui limiti dimensionali relativi all'efficacia di ventilazione.
Fig 54 - Limiti di profondità di vano per garantire efficacia di ventilazione a lato singolo e passante
5.5.2.1 Ventilazione passante orizzontale e a lato singolo
Si definisce ventilazione passante orizzontale il flusso d'aria che attraversa uno o più
locali, con immissione e uscita dell'aria da aperture collocate su pareti opposte o adiacenti
(ma non complanari), collocate alla stessa altezza dal piano di pavimento (in caso di
altezze differenti, si aggiunge al vento la componente effetto camino).
La portata d'aria realizzabile con tale tecnica è proporzionale all'area netta di apertura,
all'angolo di incidenza del vento sul piano dell'apertura e alla differenza di pressione tra le
due aperture.
Tale differenza è massima per aperture collocate, rispettivamente, quella d'ingresso
dell'aria sul lato sovrapressione, e quella d'uscita, sul lato in depressione (generalmente,
ciò accade quando le aperture sono collocate su pareti opposte), con angolo d'incidenza
del vento compreso tra la perpendicolare e 30°.
La ventilazione a lato singolo è, invece, il ricambio d'aria prodotto in un vano quando vi
sono unicamente una o più aperture collocate sulla medesima parete esterna.
Il tasso di flusso, in tal caso, è discontinuo e legato prevalentemente ad un effetto di
pulsazione dell'aria, dipendente dalle variazioni di velocità e direzione che caratterizzano il
vento negli intervalli brevi.
La portata d'aria complessiva oraria è generalmente molto ridotta, soprattutto nel caso di
una singola apertura. Se le aperture sono più d'una, la portata aumenta: per effetto
camino, se esse sono collocate ad altezze diverse; per l'innesco di flusso da vento semipassante, se le aperture sono collocate alla stessa altezza.
In entrambi le configurazioni, l'efficacia della ventilazione dipende, altresì, dalla profondità
del vano libero in rapporto all'altezza del vano stesso e dalla eventuale presenza di
partizioni, che aumentano la resistenza al flusso, riducendo ulteriormente la portata d'aria.
In Fig. 54 sono riportate le massime profondità di vano, al di sopra delle quali l’efficacia di
ventilazione - per sistemi sia a lato singolo, sia passante - risulta notevolmente ridotta.
5.5.2.2 Ventilazione passante verticale
Si intende per ventilazione passante verticale una tecnica di ventilazione passante, in cui
l'immissione dell'aria avviene da un'apertura posta più in alto rispetto a quella di uscita.
Generalmente, il sistema prevede un condotto verticale di immissione che collega
l'apertura d'ingresso dell'aria al vano da ventilare (Fig. 55).
L'apertura d'ingresso deve essere rivolta sopravvento, in relazione ai venti dominanti. Tale
sistema è particolarmente adatto in condizioni di vento prevalente relativamente costante,
nel periodo caldo, nonché in situazioni di contesto urbano ad alta densità edificata, in cui
risulta difficile utilizzare aperture ordinarie (finestre) collocate a livello del vano per
l'immissione d'aria, soprattutto al primi piani fuori terra.
Tale sistema si può trasformare, in assenza di vento, in un sistema ad estrazione naturale
per effetto camino, come avviene, di notte, nelle torri del vento iraniane.
Fig. 55 - Schema di flusso di ventilazione passante verticale (a torre di captazione)
5.5.2.3 Sistema combinato vento-effetto camino
Il sistema che, tipicamente, combina l'effetto del vento con quello determinato dalla
differenza di temperatura dell'aria tra esterno ed interno (effetto camino), è quello in cui si
prevede l'immissione dell'aria in zona sopravvento, ad altezza del locale da ventilare, e
l'estrazione naturale da un'apertura posta più in alto, all'estremità di un condotto o vano
verticale (Fig. 56). Quest'ultimo può essere sia una conduttura costruita ad hoc, sia uno
spazio con altre funzioni, quale un vano-scala o un atrio con aperture apribili in copertura.
Tale sistema può essere concepito sia come specificamente destinato all'estrazione come nel caso d'utilizzo di vani-scala o atrii - sia come la modalità inversa di un sistema in
cui sia anche prevista la ventilazione passante verticale, come avviene nella torre del
vento iraniana. Nel primo caso, il vento rappresenta un'agente d'ausilio alla generazione
del flusso d'aria, che è determinata prevalentemente dall'effetto camino. Nel secondo
caso, la torre, generalmente suddivisa in più condotti interni, funziona, alternativamente in relazione al periodo e alla presenza, o meno, di vento - come elemento di captazione o
di estrazione dell'aria.
Fig 56 - Schema di ventilazione combinata vento (immissione) effetto-camino (estrazione)
