Il sole è la fonte di energia primaria che permette la vita sul nostro pianeta (non a caso gli antichi lo adoravano come un dio).
La radiazione solare, attraversando l’atmosfera, in parte si disperde in essa, in parte raggiunge la superficie della terra, comunicando calore agli oggetti investiti. Più i raggi sono perpendicolari alle superfici colpite, maggiore è il calore che essi trasmettono ai corpi. Il succedersi delle stagioni e l’alternarsi di periodi più caldi a periodi più freddi, dipendono dal fatto che la terra ruota intorno il sole rimanendo sempre un po’ inclinata su un lato, così che in estate i raggi solari sono più vicini alla verticale (riscaldando di più), in inverno sono più bassi (riscaldando meno).
Infatti la terra si muove annualmente attorno al sole con un’orbita (eclittica) leggermente ellittica, ruotando contemporaneamente attorno al proprio asse in 24 ore. Questo asse è inclinato di 23.27° rispetto alla perpendicolare al piano dell’orbita, e la sua inclinazione è causa delle variazioni stagionali: nei mesi estivi il nostro emisfero (emisfero boreale) ha un numero maggiore di ore di soleggiamento e l’inclinazione dei raggi solari è più vicina alla perpendicolare, nei mesi invernali la situazione si inverte. L’angolo che i raggi solari formano con una retta perpendicolare ad una certa superficie viene definito angolo di incidenza.
La quantità di energia che una superficie assorbe dipende da tale angolo (quindi nei mesi estivi l’energia intercettata è maggiore perché l’inclinazione dei raggi è più vicina alla perpendicolare).
A titolo di esempio, per un angolo d’incidenza di 0° la radiazione intercettata è pari al 100%, a 50° scende al 64%, a 75° si porta al 25%.
LA GEOMETRIA SOLARE
Il sole percorre il suo arco giornaliero da est verso ovest lungo un arco; questo arco è più basso in inverno (raggiungendo la minima altezza sull’orizzonte a mezzogiorno del 21 dicembre) e più alto in estate (raggiungendo la massima altezza a mezzogiorno del 21 giugno, momento dell’anno nel quale le ombre sono le più corte in assoluto). I valori di tali altezze estreme variano al variare della latitudine geografica del luogo e possono essere calcolate con la seguente relazione:
solstizio invernale (21 dicembre): A = 90° – L – 23° 47’
solstizio estivo (21 giugno): A = 90° – L + 23° 47’
con
A: altezza del sole sull’orizzonte in gradi sessagesimali
L: latitudine geografica (la norma UNI 10349 “Dati climatici” riporta la latitudine di tutte le città capoluogo di provincia).
Il modo in cui l’energia solare incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipende dalle variazioni stagionali di altezza del sole sull’orizzonte. Così si può affermare che mentre le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla radiazione diretta, la facciata verticale meridionale è sempre soleggiata, ma l’inclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa è inferiore in inverno (il sole è più basso sull’orizzonte) e maggiore in estate; le due facciate verticali ad est ed ovest ricevono una quantità superiore di energia in estate, così come la copertura, ma in valore assoluto quelle meno di quest’ultima.
Queste considerazioni si riflettono immediatamente sulla necessità di una attenta distribuzione degli ambienti interni. In linea di massima si può dire che è opportuno fare affacciare gli ambienti con maggiori esigenze di comfort e più lunghi tempi di permanenza a sud, privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio). Tutti quegli ambienti di servizio (garage, depositi, ripostigli) la cui fruizione non è continua e che, pertanto, non necessitano di riscaldamento, possono essere esposti a nord, funzionando così da spazi cuscinetto, ovvero spazi filtro, camere d’aria e ambienti per isolare l’interno dall’esterno sul lato climaticamente più svantaggiato.
Le serre solari sono, invece, spazi cuscinetto particolari in quanto, se opportunamente posizionate e dimensionate, assumono la veste di collettore di calore principale ai fini del riscaldamento passivo dell’edificio.
RIFLESSIONE, TRASMISSIONE ED ASSORBIMENTO DELLA RADIAZIONE SOLARE
Quando la radiazione solare colpisce la superficie di un corpo, essa viene in parte riflessa (più precisamente i materiali levigati riflettono e lo fanno secondo traiettorie prevedibili e calcolabili e con un angolo di riflessione rispetto alla normale alla superficie stessa uguale all’angolo di incidenza), mentre quelli ruvidi diffondono in modo irregolare e in parte, penetrando la sostanza, viene trasmessa e assorbita. I materiali trasparenti trasmettono la maggior parte di radiazione incidente con bassi valori di distorsione (vetro); quelli semitrasparenti trasmettono una pari quantità di luce, ma con fenomeni di deviazione e diffusione (policarbonato, lexan). La quantità di radiazione che viene assorbita è trasformata in energia termica o calore a causa dell’accelerazione del moto delle particelle che compongono la sostanza; la temperatura misura la variazione della quantità di calore contenuta da un corpo.
Una scelta adeguata dei materiali da costruzione, quindi, in relazione alle relative proprietà di riflessione o diffusione, di trasmissione o di assorbimento di radiazione solare (e quindi di calore), e una opportuna conformazione geometrica delle strutture da essi composte fa sì che queste ultime possano funzionare come elementi passivi di climatizzazione solare.