Solare passivo - di Antonio Montinaro, da Gaia, inverno 2004
Sistemi solari passivi nell'architettura bioclimatica
12 January, 2004
Sistemi solari passivi nell’architettura bioclimatica Gli edifici residenziali sono responsabili di circa il 40% dei consumi di energia primaria; se il fatto pare comprensibile parlando di riscaldamento invernale sicuramente colpisce quando si afferma che i consumi per il condizionamento estivo tendono ormai ad equiparare quelli invernali pur non trovandoci in condizioni di estati torride. Quando non si tratta di una necessità, quella degli impianti di condizionamento estivi pare essersi affermata come una moda. Alla base di tutto, che si tratti di necessità o di moda del momento, resta il fatto che gli edifici di oggi sembrano inadatti ad interfacciarsi con il clima esterno e variabile delle stagioni avendo una composizione dell’involucro pressoché standard a tutte le latitudini e chiedendo quindi dell’apporto esterno degli impianti per rendervi il soggiorno gradevole. L’architettura bioclimatica è la progettazione architettonica finalizzata al raggiungimento degli standard di comfort ambientale nell’edificio attraverso i minimi consumi energetici per climatizzazione (riscaldamento, raffrescamento, illuminazione) e, di conseguenza, limitate emissioni in ambiente di gas climalteranti. L'architettura bioclimatica, quindi, è un complesso di soluzioni progettuali che realizzano il soddisfacimento dei requisiti di controllo del microclima interno degli edifici e dell’illuminazione naturale degli stessi, riducendo al minimo i consumi energetici da fonti convenzionali. La progettazione bioclimatica, come fase contemporanea alle ulteriori fasi di progettazione architettonica, focalizza la sua attenzione in modo prevalente sulla struttura, sulla conformazione fisica dell'edificio, sul suo orientamento e sul contesto climatico in cui viene realizzato, perché questo possa interagire, captare o rinviare, con le radiazioni solari e con il microclima locale, venti prevalenti o l’inclinazione dei raggi solari nelle varie stagioni, per ottenere condizioni di benessere abitativo. La bioclimatica per le necessità di climatizzazione degli ambienti predilige il ricorso a scelte progettuali volte a realizzare condizioni di riscaldamento e raffrescamento naturali, facendo ricorso quindi ai sistemi passivi. Sono detti passivi quei sistemi che sfruttano la radiazione solare per il riscaldamento e raffrescamento senza ausilio di elementi motorizzati e in cui la distribuzione del calore prodotto avviene grazie ai fenomeni naturali di conduzione, di convezione e di irraggiamento. Sono detti attivi, invece, quei sistemi solari che trasformano direttamente l’energia solare in applicazioni termodinamiche (collettori solari per acqua calda) o fotovoltaiche (pannelli fotovoltaici). Le strategie d'intervento per sfruttare al meglio le caratteristiche climatiche locali si differenziano a seconda della zona, o fascia climatica, in cui è posto l’edificio. Per ogni fascia climatica, o peculiarità del sito dove si costruisce, esistono opportune tecniche e opportune strategie che devono essere però concepite nel loro insieme e che comunque non devono escludere la possibilità di essere integrate con i sistemi tradizionali di controllo dell'ambiente interno. Nella gestione di un edificio o di un'abitazione, le strategie solari passive, con diverse varianti, possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere tre obiettivi principali: · il riscaldamento di un edificio, soprattutto nei climi freddi, attraverso l'accumulo, la distribuzione e la conservazione dell'energia termica solare. Al fine di raggiungere questo scopo, le principali tecniche passive prevedono l'impiego di muri termo-accumulatori, con ottimo isolamento, di notevole massa e inerzia termica, di sistemi di preriscaldamento dell'aria, di ampie superfici vetrate esposte a Sud, di serre addossate all'edificio come filtro fra interno ed esterno; · il raffrescamento naturale di un edificio dato dalla ventilazione naturale, dalla schermatura e dall'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. · l’importante contributo passivo che si può ottenere dall'energia solare per l'illuminazione 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. Riscaldamento naturale. Per riscaldamento naturale s'intende un riscaldamento ambientale ottenuto utilizzando l'irraggiamento solare incidente sulle superfici dell'involucro edilizio e meccanismi naturali, cioè senza l'ausilio d'energia prodotta da impianti termici o importata dalla rete, per il trasferimento del calore assorbito all'interno dell'edificio. Sistemi di riscaldamento naturale possono essere sia gli stessi elementi tecnici di chiusura di un edificio, trasparenti (finestre) od opachi (pareti ad accumulo termico non isolate), sia elementi speciali progettati per massimizzare l'apporto termico solare, ad esempio accumuli di acqua all’interno delle pareti o soffitti inclinati nella direzione dei raggi solari. I sistemi solari passivi funzionano lavorando in diverse fasi, in diversi subsistemi: · captazione dell’energia solare e trasferimento della stessa all'ambiente (per irraggiamento) e/o all'aria (per convezione); · distribuzione del calore prodotto agli ambienti da riscaldare (rispetto ai sistemi impiantistici, la modalità di distribuzione è estremamente semplice, avvalendosi solo di bocchette di ventilazione o, nei casi più complessi, in condotti nei controsoffitti); · accumulo di energia termica, nei periodi di non utilizzo della stessa, o della quantità di energia incidente non utilizzata, al fine di renderla utile successivamente. I sistemi solari passivi si differenziano in relazione ai seguenti fattori: · la collocazione del subsistema di captazione, che può essere su parete, in copertura, o al di sotto del livello di utilizzo; · il tipo di trasporto dell’energia dal sistema di captazione/distribuzione all’ambiente, che può essere suddiviso nelle seguenti modalità: o diretto, quando il trasporto avviene senza interposizione di elementi tecnici opachi (lo scambio termico avviene per irraggiamento); il subsistema di captazione e quello distributivo sono integrati nello stesso componente d’involucro (chiusura verticale o orizzontale superiore): non si ha movimentazione d’aria dall’unità di captazione all’ambiente e lo scambio è prevalentemente per irraggiamento diretto e reirraggiamento nell’infrarosso dalle pareti interne; o indiretto, quando il trasporto avviene con interposizione di un elemento tecnico opaco (con o senza accumulo inerziale), rappresentato dalla parete stessa che supporta il subsistema di captazione, con scambio convettivo attraverso bocchette, collocate nella parte inferiore e superiore della parete stessa (muro di Trombe-Michel, serra di accumulo o piastra convettiva), o condotte in controsoffitto (parete camino-solare); o isolato, quando non vi è comunicazione diretta, né visiva né d’aria, tra subsistema di captazione/distribuzione (parete opaca) e ambiente; lo scambio termico con l’ambiente avviene per reirraggiamento dalla superficie interna della parete opaca, che funge anche da captatore, e per movimentazione d’aria attraverso intercapedini a soffitto o pavimento – come nel sistema Barra-Costantini – senza passaggio d’aria tra elementi tecnici e ambiente. · la presenza di una funzione spaziale, che integra quella di controllo termico (come nel caso delle serre e degli atrii). Lo schema generale di classificazione dei sistemi solari passivi è il seguente: I principali sistemi passivi. Nel muro termico l'accumulo è costituito dalla parete di consistente massa termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni termiche. Il calore captato viene trasmesso per conduzione, con un certo sfasamento, attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione e irraggiamento) all'ambiente interno. Gli elementi di accumulo, a calore sensibile, comunemente adottati, sono costituiti da pareti e/o solai aventi una adeguata capacità termica, nonché in alcuni casi anche accumuli ad acqua, a sassi e nel terreno. Oltre al trasferimento del calore per conduzione come nel muro termico, il muro Trombe consente anche il trasferimento per circolazione naturale dalla captazione all'ambiente retrostante mediante apposite aperture poste nella parte bassa ed in quella alta della parete. 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. Nei sistemi isolati la superficie di captazione è separata dall'accumulo termico, il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per termocircolazione naturale o anche direttamente dalla captazione allo spazio abitato. Un esempio di sistema isolato è costituito dal sistema Barra-Costantini che si può schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud dell'edificio. L'aria riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la struttura e questa l’ambiente per re-irraggiamento. Si viene quindi a determinare una circolazione naturale con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) all'accumulo (soffitto) e all'ambiente interno. Talvolta i diversi sistemi possono integrarsi tra loro per ottimizzare la copertura del fabbisogno energetico nel corso della giornata. Raffrescamento naturale. Le condizioni climatiche estive del territorio italiano sono caratterizzate da temperature a volte superiori al livello limite della zona di comfort. Tale caratteristica è destinata ad accentuarsi, in relazione alla ormai accertata tendenza al riscaldamento globale tendenziale del pianeta, dovuto alla produzione da attività antropica dei gas da effetto serra (+ 3¸5 °C nell’arco dei prossimi 50 anni. Gli edifici a destinazione d’uso terziaria (uffici, commercio, locali di pubblico spettacolo, ecc.), inoltre, sono caratterizzati da carichi di raffrescamento per gran parte dell’anno. Tutto ciò fa sì che l’utilizzo d’impianti di condizionamento, e i relativi costi energetici, in particolare in Europa, sia in continuo aumento. Questa tendenza rischia di annullare i benefici prodotti dalle politiche d’incentivo della conservazione energetica, attuate dai Paesi europei e dagli altri Paesi industrializzati negli ultimi due decenni, nonché di condizionare negativamente l’attuazione delle strategie connesse con il protocollo di Kyoto. Infatti, se non si modifica tale tendenza, le prospettive future sono di un continuo crescente consumo di energia elettrica, la maggior parte della quale di origine termica petrolifera e, quindi, generante emissioni clima-alteranti in atmosfera Un contributo alla limitazione di tale crescita è rappresentata dalle tecniche di raffrescamento naturale, cioè di climatizzazione “estiva”, realizzata con nullo o minimo utilizzo di energie non rinnovabili. Il raffrescamento naturale di un edificio si ottiene dissipando il calore in eccesso, tramite l’uso di pozzi termici naturali, quali: l’aria, il terreno, l’acqua, il cielo notturno. Le principali tecniche di raffrescamento naturale sono, in funzione del pozzo termico utilizzato, raggruppabili nelle seguenti categorie: · raffrescamento ventilativo (ambientale e della massa termica), realizzato con aria a temperatura più bassa di quella dell’ambiente da raffrescare; · raffrescamento da terreno (diretto, se avviene per contatto tra involucro e terreno – come negli edifici ipogei – o indiretto, se realizzato attraverso canali interrati); · raffrescamento evaporativo, basato sulla sottrazione del calore contenuto nell’aria immessa in un ambiente, tramite il passaggio della medesima attraverso contenitori (bacini, canali, fontane, serpentine), o getti nebulizzati d’acqua, che evapora; · raffrescamento radiativo, attuato per dispersione notturna del calore trasportato da un fluido, tramite pannelli radianti rivolti al cielo notturno. Ventilazione naturale. Per ventilazione si intende quell’insieme di operazioni volte a sostituire, in tutto o in parte, l’aria “viziata” di uno spazio confinato con aria pulita. Tale insieme di operazioni, comprendente l’immissione, l’eventuale filtraggio, la movimentazione e l’espulsione dell’aria, ha come scopo primario quello di garantire la qualità dell’aria nell’ambiente. La ventilazione naturale è una tecnica di ricambio dell’aria viziata, attuata senza l’ausilio di ventilatori, per mezzo di “motori naturali”, quali il vento e l’effetto camino. La ventilazione naturale, in periodo estivo o in ambienti a forte carico termico interno (uffici, edifici commerciali), ha anche una valenza di raffrescamento, sia corporeo sia ambientale, purché controllata e attuata in condizioni di temperatura dell’aria inferiori ai limiti superiori della zona di comfort (generalmente, 26 °C). L'impiego di sistemi a ventilazione naturale negli edifici, in alternativa a quelli di ventilazione meccanica, ha un'importanza strategica nella politica energetica e ambientale dei paesi industrializzati. 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, in parte, di raffrescamento, degli ambienti confinati; · 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 di inquinamento biologico legati a errori di progetto o all’inefficienza di gestione (poca frequenza nella sostituzione dei filtri), che possono caratterizzare gli impianti di condizionamento e ventilazione meccanica. Illuminazione naturale. Per quanto riguarda l'illuminazione naturale, nuove tecniche sono particolarmente utilizzate nella progettazione di ambienti che hanno un uso prevalentemente diurno, come uffici, scuole, edifici commerciali, industriali e ospedali, per i quali l'entità di consumi energetici derivanti dall'illuminazione artificiale ne rende più evidenti i vantaggi economici. Le moderne tecniche di daylighting vengono applicate negli edifici di abitazioni essenzialmente per ragioni estetiche e di benessere. Le caratteristiche principali che rendono preferibile la luce naturale a quella artificiale sono il suo rendimento nella percezione del colore e le variazioni nel tempo di colore, contrasto e luminanza (brillanza luminosa) di ogni superficie, caratteristiche che non possono essere simulate da nessun tipo di sorgente artificiale. Inoltre il flusso solare incidente, ad esempio in un metro quadrato di finestra, è dell'ordine di alcune decine di migliaia di lumen, quanto basterebbe, se opportunamente distribuito, ad illuminare varie decine di metri quadrati di superficie di lavoro (i livelli di illuminazione richiesti sul piano di lavoro vanno da un minimo di 100 lumen/m² per le aree di servizio ad un massimo di 1.500 lumen/m² per le attività di alta precisione). Il flusso luminoso all'interno dell'edificio varierà a seconda della posizione, dell'ora del giorno, del periodo dell'anno, delle condizioni climatiche del luogo, da come l'edificio è circondato nelle immediate vicinanze (presenza di ostruzioni naturali o artificiali. Per ottenere buoni livelli di comfort visivo (ambienti in cui la ricezione dei messaggi visivi non è disturbata), è necessario assicurare buoni livelli di comfort luminoso all'interno degli spazi ed evitare il cosiddetto fenomeno di abbagliamento, situazione creata dalla presenza nel campo visivo di superfici o punti con luminanza molto superiore a quella a cui l'occhio è abituato. In sostanza l’architettura bioclimatica richiede un maggiore impegno in fase di progettazione perché le variabili da considerare sono maggiori ma questo permette di ottenere un edificio integrato con l’ambiente e con il microclima circostante e non un fabbricato a cui applicare degli impianti per regolarne il comfort interno. Quindi a fronte di un costo di progettazione dell’edificio superiore si possono ottenere costi di gestione dovuti ai consumi energetici sensibilmente più bassi. Consumi energetici minori implicano proporzionali spese minori per fornitura di energia e proporzionali riduzioni di emissioni di gas climalteranti. Antonio Montinaro amontinaro@yahoo.it Ecoistituto del Piemonte “Pasquale Cavaliere” c/o Centro Studi Sereno Regis via Garibaldi 13, 10122 Torino www.arpnet.it/regis ecoistitutopiemonte@unodinoicom.it Antonio Montinaro Laureato in Ingegneria Edile presso il Politecnico di Torino con una tesi su “Utilizzo del solare termico nella climatizzazione di un capannone industriale secondo i principi dell’Architettura Bioclimatica”. Collabora da due anni con l’Ecoistituto del Piemonte “Pasquale Cavaliere”, nell’ambito di progetti sul risparmio energetico.