F. Piccininni
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OTTIMIZZAZIONE DELLE SUPERFICI FINESTRATE
PER LA RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI
Francesco Piccininni
Dipartimento di Fisica Tecnica del Politecnico di Bari
SOMMARIO
La diffusione degli impianti di condizionamento estivo sta aumentando con ritmi tanto elevati che si
prospetta a breve periodo un consumo energetico ad esso legato dello stesso ordine di grandezza di
quello impiegato per il riscaldamento invernale.
Per ridurre i consumi energetici del riscaldamento esistono norme che privilegiano i guadagni termici
dovuti all’irraggiamento solare perché contribuiscono alla riduzione dei consumi.
In questo lavoro si analizza l’influenza delle dimensioni delle finestre degli edifici sui carichi
energetici di riscaldamento e di raffrescamento e il loro effetto in funzione dell’orientamento delle
finestre e della latitudine.
1. INTRODUZIONE
I moderni edifici per abitazione ed ancor più quelli destinati ad uffici lasciano grande spazio alle
superfici finestrate. Queste soluzioni vengono sollecitate sia per motivi estetici sia per incrementare la
quantità di spazio interno illuminato con la luce solare.
La sostituzione di una porzione di parete con una finestra comporta una riduzione di circa sette volte
della resistenza termica rendendo sicuramente più oneroso il carico termico per il raffrescamento
estivo e rendendo il carico termico di riscaldamento dipendente dall’orientamento delle superficie
finestrate e dalle caratteristiche delle finestre per quanto riguarda la possibilità di sfruttare
l'rraggiamento solare.
L’incremento di superficie finestrate, infatti, può comportare sia una riduzione del carico termico
rispetto alla soluzione con la parete piena sia una sua riduzione dovuta all’incremento dei guadagni
solari. In quest’ultimo caso si deve ricordare che tali guadagni sono limitati al periodo diurno, quando
è consentito il funzionamento dell’impianto di riscaldamento.
Durante il periodo notturno si ha un incremento di flusso termico in uscita che può non essere rilevato
come aumento dei consumi se l’impianto di riscaldamento è spento, mentre ha sicuramente effetto sul
microclima e potrebbe sollecitare l’uso di sistemi di riscaldamento elettrici.
Inoltre, gli scambi termici che avvengono attraverso le finestre hanno un immediato effetto sul
microclima interno contrariamente alle pareti opache che, a causa della ben più elevata massa
superficiale, attenuano e sfasano il picco termico. L’attenuazione dei picchi, in particolare, comporta
la possibilità di utilizzare impianti di taglia minore.
2. LA LOCALITÀ E L’ORIENTAMENTO
La radiazione solare che colpisce le superfici verticali ha effetto sui carichi termici, invernali ed estivi,
degli edifici maggiore della radiazione orizzontale. Questi effetti vengono ancor più influenzati
dall’orientamento della parete stessa.
Il massimo irraggiamento incide sulle pareti esposte ad est nella prima mezza giornata, mentre nel
pomeriggio il massimo irraggiamento incide sulla parete esposta ad ovest.
Le pareti degli edifici sono state divise in due tipi: superfici opache realizzate in muratura e superfici
trasparenti. Per superficie trasparente si intende tutto il complesso che realizza una finestra o una porta
finestra: la parte trasparente che può essere realizzata in vetro o in altro materiale trasparente e la parte
strutturale delle finestra che pur costituendo una superficie opaca contribuisce a determinare l’entità
del flusso termico entrante in funzione delle sue caratteristiche termo-fisiche.
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Fig. 1 – Andamento dei coefficienti di una superficie vetrata semplice in funzione dell’angolo di
incidenza
L’energia solare che incide su una superficie vetrata penetra all’interno dell’edificio per la maggior
parte, mentre una quota viene rinviata all’esterno, riflessa, e la rimanente parte è assorbita sia dal vetro
che dall’intelaiatura.
Nella maggior parte delle finestre la componente assorbita rappresenta una piccola parte dell’energia
incidente, mentre un discorso a parte merita la componente riflessa. [1]
La riflessione su una superficie vetrata, infatti, varia in maniera sensibile con il variare dell’angolo di
incidenza, angolo compreso tra il raggio solare incidente e la perpendicolare alla superficie vetrata.
Tale parametro può anche essere utilizzato per far variare le caratteristiche della finestra ed esaltare gli
effetti positivi, attenuando quelli negativi.
In Figura 1 sono riportati gli andamenti delle tre componenti dell’energia incidente riferiti ad una
singola lastra di vetro posta verticalmente.
Sulle facciate ad est e su quelle ad ovest nelle ore di massima insolazione si ha un angolo d'incidenza
minore di 40°; nel caso di finestra con un singolo vetro all’interno dell’edificio entra circa l’87%
dell’energia incidente.
Questo carico non solo fa aumentare l’energia necessaria per smaltirlo con l’impianto di aria
condizionata ma può creare un picco di calore entrante di elevato valore. Per mantenere le condizioni
di benessere termoigrometrico anche per queste ore è necessario utilizzare macchine frigorifere di
condizionamento di potenza elevata che verrebbero utilizzate in condizioni parzializzate per il resto
del tempo riducendo fortemente l’efficienza dell’impianto e comportando un incremento di consumo
di energia elettrica superiore alla al semplice aumento di carico termico da smaltire.
Ad influenzare questo effetto è l’entità delle masse che costituiscono l’interno dell’edificio quali i
solai, i tramezzi e l’arredamento stesso dei locali. [2]
Il costo effettivo per estrarre dall’edificio il calore entrato attraverso le superfici vetrate ha un valore
sufficientemente elevato da rendere economicamente accettabile costosi sistemi di schermatura
posizionati in maniera tale da intercettare l’energia raggiante prima che essa raggiunga la superficie
esterna delle finestre. Questa soluzione, però, contrasta con il motivo che sta alla base della
progettazione di ampie superfici finestrate.
Esse vengono realizzate per motivi estetici, per incrementare il guadagno di energia solare per ridurre
il carico invernale di riscaldamento e per incrementare l’illuminazione naturale all’interno. La
schermatura con tende esterna è in contrasto con tali scelte: basterebbe tener conto di queste
problematiche in sede di progetto e di ridurre la superbie vetrata per rendere inutile questo intervento
che, a parte l’opportunità, è estremamente costoso.
Se infatti non si vogliono praticamente azzerare i vantaggi ottenibili nel periodo invernale, è
necessario dotare la schermatura di un sistema di orientamento delle superfici per permettere
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all’energia solare di entrare nell’edificio nel periodo in cui è richiesto calore per il riscaldamento.
A questo scopo sono state proposte soluzioni particolari quali la possibilità di invertire la superficie
vetrata in maniera da ottenere bassi guadagni solari nel periodo estivo ed alti guadagni in inverno [3]
U=1,5
5000
U=2,5
U=3,5
U=4,5
U=5,5 W/m2K
4000
3000
[kWh]
2000
1000
0
-1000
3
5
7
9
11
13
-2000
-3000
Superficie vetrata [%]
Fig. 2 – Andamento del consumo differenziale globale annuale delle superfici finestrate
3. LE PRESTAZIONI DELLE FINESTRE
Il complesso di superficie trasparente e struttura opaca che costituisce la finestra realizza le
caratteristiche termofoisiche della superficie vetrata che influenzano i consumi energetici legati alla
realizzazioni si superfici vetrate. Per questo motivo vengono studiati con attenzione i materiali
utilizzati e la forma assunta.
Il coefficiente di riflessione della superficie vetrata può essere aumentato con l’aggiunta di una
pellicola metallica molto sottile con un elevato indice di rifrazione. E’ possibile, inoltre, utilizzare
superfici a doppio vetro con trattamenti realizzati sulle superfici interne dei due vetri che realizzano
capacità riflettenti che raggiunge valori molto alti per tutti gli angoli di incidenza dell’energia solare.
L’assorbimento di calore da parte del vetro può essere usato per ridurre i guadagni solari. Esistono
vetri che riescono ad assorbire fino al 70% dell’energia incidente riducendo fortemente la percentuale
dell’energia solare che riesce a penetrare nell’edificio, ma non nella stessa proporzione. L’energia
termica assorbita dal vetro, infatti, viene successivamente trasmessa sia verso l’esterno che verso
l’interno per convezione. Un’aliquota dell’energia assorbita viene comunque introdotta nell’edificio.
C’è da sottolineare che questo trasferimento avviene subito dopo l’assorbimento da parte del vetro
data la sua, relativamente, basso valor di massa. Se esiste un impianto di raffrescamento che impiega
impianti a fan-coil sistemati sotto la finestra, questi si trovano a smaltire il carico termico quando
questo è al massimo valore. Un vetro semplice, non assorbente, trasmettendo tutto il calore
all’ambiente interno, pareti, solaio e arredamento, a causa delle capacità di accumulo di detti
manufatti, verrebbe reimmesso nell’ambiente con un ritardo tale da ridurre il picco termico con
benefici effetti, come già detto, sui consumi. Diversamente un doppio vetro potrebbe agevolare il la
dispersione di un vetro assorbente verso l’ambiente esterno piuttosto che verso l’ambiente interno
ottenendo gli effetti positivi.
Attualmente i sistemi di classificazione delle superfici vetrate sono stati sviluppati principalmente
negli Stati Uniti ed in Europa. Essi prevedono metodologie standardizzate per misurare la trasmittanza
delle finestre, il guadagno solare, la capacità di trasmettere la luce visibile e l'entità dello scambio
termico dovuto alle infiltrazioni di aria.
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Negli Stati Uniti è lo stesso governo federale a fornire programmi di simulazione delle prestazioni e
degli edifici e delle finestre in particolare per agevolare uno studio particolare degli effetti
dell'introduzione delle superfici vetrate.
1500
SHGC=0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
1000
[kWh]
500
0
-500
3
5
7
9
11
13
-1000
-1500
-2000
Superficie vetrata [%]
Fig. 3 – Consumo differenziale globale annuale delle superfici finestrate a sud a Milano
4. METODO DI ANALISI
In questo lavoro sono state effettuate simulazioni numeriche per individuare l'effetto delle superfici
finestrate sui consumi energetici su una costruzione reale ad un solo piano avente una superficie di
circa 200 m2 . I calcoli sono stati effettuati sia per una localizzazione nel meridione d'Italia (Taranto)
sia al nord, collocandolo a Milano.
4.1 Simulazione
La simulazione è stata realizzata utilizzando il noto programma di simulazione sviluppato negli Stati
Uniti chiamato TRNSYS [4].
In essa sono stati impostate le caratteristiche di un edificio presente a Taranto presso la sede della
facoltà di ingegneria. La superficie vetrata, tutta realizzata come finestre, è stata divisa equamente tra
le quattro superfici. La sua estensione è stata fissata come percentuale della superficie della pianta
della costruzione. Tale parametro è stato fissato in questo modo perché l'effetto dei guadagni solari
dipendono dalle forma e dalle caratteristiche termofisiche dell'ambiente "illuminato" dal sole.
Sono stati quantificate le variazioni di consumi rispetto a pareti completamente opache.
In base a questa convenzione quando il guadagno termico comporta una riduzione di consumi rispetto
alla superficie opaca, tale risparmio viene indicato con il segno negativo.
Questo può avvenire quando si considerano i consumi legati al riscaldamento che possono essere
ridotti se i guadagni solari superano l'incremento delle perdite dovute alla ridotta resistenza termica.
La realizzazione di superfici finestrate comporta sempre un aumento dei consumi energetici per il
condizionamento estivo perché si riduce la resistenza termica della parete e l'irraggiamento solare
richiede un ulteriore aumento di carico energetico.
La quantificazione del carico di riscaldamento e di raffrescamento stata, quindi, espressa come
differenza rispetto allo stesso edificio con l’involucro esterno realizzato tutto in muratura senza alcuna
superficie finestrata.
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L’energia che penetra all’interno dell’edifico per aver attraversato una superficie trasparente che
collabora alla riduzione del carico termico di riscaldamento e per questo viene chiamato guadagno.
Essa viene valutata con la relazione:
G = [I ⋅ cosθ + I D + I R ]⋅ SHGC
dove:
G= guadagno solare, W;
I = radiazione diretta, W;
θ = angolo d’incidenza, rd;
ID = radiazione diffusa, W;
IR = radiazione riflessa, W;
SHGC = coeffciente di guadagni termico solare (Solar Heat Gain Coefficient)
0
3
5
7
9
11
13
-200
[kWh]
-400
-600
-800
-1000
SHGC=0,6
-1200
0,5
0,4
0,3
0,2
Superficie vetrata [%]
Fig. 4 – Consumo differenziale globale annuale delle superfici finestrate a sud a Taranto
5. RISULTATI
Sono stati valutati i carichi termici dovuti alle superfici finestrate per ciascuno dei quattro orientamenti
e per l’edificio nel suo complesso. All’inizio è stata prevista un’eguale distribuzione della superficie
delle finestre per ciascun orientamento facendo ridurre l’area dal 12 al 4% della superficie del
pavimento ripetendo tutto per cinque valori di SHGC.
Dalla figura 2 si vede che la resistenza termica della superficie vetrata è il paramentro che
maggiormente influenza i consumi. Solo per valori di trasmittanza inferiori a 2,5 W/m2 K si ottengono
consumi inferiori con le superfici vetrate che con la muratura. Quindi solo con alte resistenze termiche
il guadagno solare riesce a compensare, e superare, le perdite indotte dalla installazione di superfici
vetrate.
Per i valori più bassi della trasmittanza si evidenzia anche il valore percentuale della superficie
finestrata della parete rivolta a sud che minimizza sia i consumi di riscaldamento ad un livello tale che
tale minimo permane anche nel bilancio totale, riscaldamento e raffrescamento, per l'intero anno.
Dalle figure 3 e 4 si vede che per bassi valori di SHGC, sulla parete rivolta a sud, esiste una
percentuale di superficie finestrata che ottimizza i consumi energetici su base annuale. Questa
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caratteristica comincia ad attenuarsi per valori di SHGC intorno a 0,5 e scompare per valori superiori a
0,6.
Dalla comparazione delle due figure si evidenzia anche la differenza tra le due latitudini. Nella figura
4 si vede che per elevati valori di SHGC i vantaggi tendono rapidamente ad essere annullati per
l'incremento dei consumi legati al carico energetico estivo.
6. CONCLUSIONI
La resistenza termica delle finestre è il parametro che pilota la variazione dei consumi energetici al
variare della superficie delle finestre. Un basso valore di resistenza innalza il consumo energetico
anche il presenza di alti valori di guadagno termico.
Gli edifici situati in climi freddi cioè in quei climi dove è prevalente il carico di riscaldamento, devono
utilizzare finestre aventi elevata capacità di immettere energia solare ovvero valori di SHGC maggiori
dell'80% in maniera da compensare la riduzione di resistenza termica conseguente alla realizzazione
delle finestre.
Le finestre con valori di SHGC inferiori al 60% trovano applicazione nelle costruzioni realizzate nei
climi caldi dove, nell'ambito dei consumi energetici annuali, prevale il carico di raffrescamento.
Bibliografia
1.
2.
G. Grazzini, C. Balocco, Controllo della radiazione solare. Condizionamento dell'aria. N° 7 luglio
1999.
F.Piccininni, Influenza della massa delle pareti sui consumi energetici annuali di un edificio
climatizzato, Atti del XIX Congresso Nazionale UIT, Modena 25-27 giugno 2001
3. D. Feuermann, A. Novoplansky, Reversible low solar heat gain windows for energy savings,
Solar Energy, Vol. 62, N°3, 1998
4. TRNSYS, a transient system simulation program, Solar Energy Laboratory, University of
Wisconsin-Madison, 1990
