Approfondimenti

SISTEMI DI SFRUTTAMENTO PASSIVO A 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 riammetterlo 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.  

• Descrizione:
  Il concetto di guadagno diretto è la soluzione più comune per un edificio solare passivo. La radiazione solare entra nello spazio abitato e cade sulla massa dell’accumulo termico. In questo modo lo spazio abitato, avendo raccolto ed accumulato l’energia solare, si comporta come un collettore.
  
• Requisiti: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.
  

  

• Varianti:

  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.
  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 e l’altro diffonde o riflette la luce solare in modo da distribuirla su una più ampia area di massa termica. L’uso di vetri diffusori, tendine o della riflessione tramite superfici di colore chiaro, ha l’effetto di diffondere la radiazione solare ovunque attraverso il locale. 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.

• Controlli:

  L’adozione di opportuni controlli per i sistemi solari passivi diventa necessario se si vuole combinare efficienza e utilità. L’ampia superficie vetrata richiesta dagli edifici a guadagno diretto può produrre variazioni di temperatura intollerabili all’interno del locale abitato: disponendo di un sufficiente accumulo termico, per assorbire e stoccare l’energia in eccesso, si moderano queste fluttuazioni. Per prevenire il surriscaldamento sono richiesti sistemi di schermatura della superficie vetrata. In estate un aggetto costituisce uno schermo adeguato, data la maggiore altezza del sole, mentre la ventilazione dei locali interni può ridurre l’eccessiva temperatura dell’aria. Per evitare perdite di calore in inverno o di notte è necessario isolare la superficie vetrata: possono avere la loro efficacia pannelli mobili isolanti, tende o serrande. Senza queste considerazioni sui controlli, un sistema passivo può produrre condizioni di disagio causate dalle perdite di calore in inverno o dal surriscaldamento nelle altre stagioni.

• 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 di notte;
  – 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;
  – anche con una massa termica adeguata si possono avere fluttuazioni della temperatura diurna intorno ai 10°K;
  – l’isolamento notturno dell’apertura solare è sicuramente necessario per i climi più freddi e questo può risultare costoso e difficoltoso.

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 come abbiamo già detto, 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. La distribuzione in un sistema diretto può essere migliorata anche utilizzando vetri diffusori. 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.

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. in alto 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 figura che segue illustra un tipico esempio.

I SISTEMI DI RISCALDAMENTO SOLARE PASSIVI

Il riscaldamento solare si ottiene con due sistemi diversi: i sistemi attivi (a collettori solari), che necessitano per il funzionamento di elementi meccanici ed energia esterna, e i sistemi passivi, in cui l’edificio stesso è l’impianto e funziona sfruttando le proprietà fisiche naturali dei flussi di calore.

SISTEMI DI RISCALDAMENTO SOLARE ATTIVI

I sistemi di riscaldamento solare attivi sono impianti che, pur basandosi come fonte di energia sulla radiazione solare, hanno bisogno di dispositivi di tipo meccanico per la distribuzione del calore. Un esempio di questi sistemi di riscaldamento attivo è rappresentato dagli impianti a collettori solari ad aria (o ad acqua): una o più batterie di elementi di captazione, i veri e propri collettori, posti generalmente sul tetto dell’edificio, acquisiscono l’energia termica della radiazione del sole e la trasferiscono ad un fluido (acqua o, meglio, aria) che viene indirizzato verso un accumulatore termico (letto di ghiaia, serbatoio di acqua); il calore immagazzinato viene poi, al momento del bisogno, prelevato dal termoaccumulatore e distribuito meccanicamente grazie ad una pompa ai diversi ambienti dell’edificio. I sistemi attivi hanno quindi bisogno di energia esterna (elettrica) per azionare le pompe e le ventole necessarie alla diffusione del calore.

SISTEMI DI RISCALDAMENTO SOLARE PASSIVI

I sistemi di riscaldamento solare passivi, invece, non hanno elementi meccanici per la raccolta e la distribuzione del calore: i flussi termici avvengono naturalmente grazie ai fenomeni di irraggiamento, conduzione e convezione naturale. Inoltre, mentre nel caso dei sistemi attivi l’impianto è “aggiunto” all’edificio, nel caso del riscaldamento passivo la struttura intera della costruzione è il sistema. Non esistono, cioè, accumulatori termici o collettori separati o elementi meccanici, né vi è necessità di energia diversa da quella solare per far funzionare il sistema. Le due componenti fondamentali di un sistema di riscaldamento solare passivo sono: l’elemento di captazione, generalmente una vetrata rivolta a sud, e la massa termica, quale elemento di accumulo e ridistribuzione del calore.
Volendo sintetizzare, i sistemi di captazione solare si suddividono secondo quanto espresso in tabella seguente:

 

 

 

 

Ogni corpo più caldo, posto vicino ad uno più freddo, cede a quest’ultimo calore, fino a che le due temperature non diventano uguali. I tre processi per cui il calore si trasmette sono:

la conduzione – l’energia termica passa tra porzioni di uno stesso materiale o tra due corpi aventi differenti temperature; è quello che avviene attraverso un muro quando il sole ne riscalda la superficie esterna:  il calore tende ad attraversare la muratura per portare equilibrio tra la temperatura della faccia esterna e dell’interna.la convezione – una pentola di acqua posta sul fuoco ha la piastra di fondo che trasmette calore al liquido posto in basso; questo, scaldandosi, si dilata e tende a salire, lasciando il proprio posto ad acqua più fredda. Si innesca così un movimento ad anello fatto di correnti di acqua calda che sale e di acqua fredda che scende. Lo stesso fenomeno si ha con l’aria: l’aria calda, più leggera, tende a salire attirando verso il basso aria fredda più pesante.

l’irraggiamento – attraverso le proprie superfici tutti i corpi irradiano calore verso l’esterno: le molecole superficiali in continuo moto vibratorio trasmettono energia cinetica nell’intorno, così come avviene, ad esempio, nel caso dei cosiddetti carboni ardenti: non ardono più, non emettono luce, ma continuano ad emanare calore. L’emissione di radiazione termica dalla superficie di un materiale dipende dalla temperatura della superficie stessa (temperatura radiante), dalla sua qualità e dalla sua emissività.

L’ACCUMULO DEL CALORE

Un corpo che si trovi in un ambiente a temperatura più alta, riceve da questo calore e lo accumula al suo interno. Al momento dell’inversione termica, cioè quando la temperatura ambiente si abbassa al di sotto di quella della sostanza che stiamo considerando, il processo si capovolge, ed il calore immagazzinato viene ceduto all’esterno. Su questo fenomeno fisico si basano i sistemi solari passivi: opportune strutture, composte da materiali appropriati e convenientemente posizionate all’interno degli edifici, svolgono la funzione diurna di accumulatori termici, immagazzinando il calore trasmesso dal sole al proprio interno per poi cederlo, nelle ore serali e notturne, quando la temperatura ambiente si abbassa.
Ma per funzionare in modo adeguato come accumulatore di calore un materiale, oltre a possedere un’alta capacità termica, deve anche presentare una termoconduttività relativamente elevata, e ciò al fine di trasmettere rapidamente energia dalla superficie al proprio interno sfruttando così la quantità maggiore di massa del corpo come magazzino di calore.

L’edificio è un enorme unità di accumulo di calore “abitato”, ossia è un insieme di strutture formate da 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.

MATERIALI E SPESSORI

La capacità termica di una certa quantità di materiale è la quantità di calore che deve essere fornita al materiale per innalzare la sua temperatura di 1°K. La capacità termica dei più comuni materiali da costruzione e dell’acqua (per quest’ultima tra il punto di congelamento e quello di ebollizione) è praticamente indipendente dalla temperatura. I materiali che subiscono un cambiamento di fase assorbono calore quando fondono e lo rilasciano quando risolidificano e questo avviene in un ristretto intervallo di temperatura detto “intervallo di fusione“. In questo intervallo i materiali presentano il più alto valore della capacità termica.
La capacità termica dei più comuni materiali da costruzione dipende principalmente dalla densità.

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. Le caratteristiche dell’acqua sono superate solo dai materiali a cambiamento di fase, anche se il calore viene generalmente accumulato a temperatura inferiore.
Questa proprietà può essere molto vantaggiosa se il PCM è impiegato all’interno di un locale, in quanto, se la sua temperatura di fusione è leggermente superiore a quella richiesta per l’ambiente, il materiale può funzionare come un termostato: il calore in esubero può essere accumulato senza un sensibile aumento della temperatura e può essere rilasciato dall’accumulo a temperatura praticamente costante. I problemi maggiori nell’utilizzo di questi materiali sono dati dal loro contenimento.

CARICO E SCARICO DELL’ACCUMULO

Il mezzo più efficace per trasferire calore ad un accumulo è quello di metterlo a contatto diretto con la radiazione solare (accumulo primario). Un’altra possibilità è il contatto termico radiativo con un’area illuminata dal sole (accumulo secondario). In questo caso la temperatura media radiante “vista” dall’accumulo deve essere maggiore della temperatura superficiale dell’accumulo stesso.
Un terzo sistema, ma meno efficace, usa la convezione naturale: l’aria viene prima riscaldata in uno spazio solare o un collettore e poi trasferita all’accumulo (in questo caso si parla di accumulo isolato).
Naturalmente la temperatura dell’aria deve essere più alta di quella dell’accumulo. Lo scarico dell’accumulo può avvenire per irraggiamento termico e/o per convezione, la conduzione gioca sempre un ruolo minore in questa fase. Un colore scuro è il più efficace per l’assorbimento di una maggiore quantità di radiazione solare da parte di un accumulo primario.
In un sistema diretto l’accumulo avviene all’interno degli elementi costruttivi come le pareti ed i solai, per cui questa soluzione può essere più problematica (a parte un pavimento scuro).
Ciò può non avere eccessiva importanza se il calore non assorbito dall’accumulo primario può essere trasferito in parte ad un accumulo secondario e in parte all’ambiente per convezione. Un sistema poi a diffusione può trasferire la radiazione solare su una più ampia superficie, massimizzando così le dimensioni di un accumulo primario.
Nel caso di un accumulo secondario è importante che sia “visto” da quello primario e che inoltre la sua emissività sia alta, come è sempre il caso con le comuni superfici, indipendentemente dal loro colore. Il trasferimento di calore ad un accumulo isolato avviene solo per convezione, naturale o forzata. L’accumulo isolato può essere costituito da un letto di pietre, da un doppio solaio, da un volume di stoccaggio termico situato lontano dall’edificio oppure dalla rimanente parte delle strutture dell’edificio. Il rilascio del calore può essere controllato da serrande o ventilatori, oppure può essere trasmesso per conduzione a pareti e solai.

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.

 

MATERIALI TRASPARENTI

Il vetro è il materiale trasparente più comunemente usato.
La fig. 1 mostra la trasmittanza di alcuni materiali trasparenti in funzione dell’angolo di incidenza.
La maggior parte dei materiali trasparenti ha una bassa resistenza termica e il fattore più importante nel loro effetto di barriera termica è rappresentato dalla separazione tra aria interna ed esterna. L’obiettivo sarebbe di mantenere un’efficiente trasmittanza della energia solare con 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, ammettono meno 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.
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.

ISOLAMENTI MOBILI

I materiali trasparenti non sono le sole barriere termiche utilizzabili, anche degli schermi isolanti mobili possono essere usati quando viene a mancare la luce solare diretta, oppure di notte.

Lo schermo più semplice è la tenda. E’ possibile migliorarne la resistenza termica aggiungendo strati a bassa emissività, usando speciali materiali isolanti o curando il dettaglio dei bordi.

Altri sistemi di isolamento interno per la notte sono gli scuretti isolanti.

Con gli isolamenti mobili interni può nascere il problema della condensa sui vetri.
Se l’isolamento è applicato dietro la vetrata e non viene rimosso durante il periodo di soleggiamento è possibile che stress termici causino la rottura del vetro. Ciò dipende anche dal dettaglio di fissaggio dei bordi che può permettere o meno la dilatazione del vetro. Le intercapedini tra gli strati della vetrata possono essere usate per degli isolamenti mobili quali: drappi, fogli di materiale a bassa emissività, tendine avvolgibili e “beadwall“, ossia un riempimento di perline di polistirene pompate con mezzi meccanici nell’intercapedine di notte e rimosse di giorno. I pannelli isolanti mobili da installare all’esterno sono un’altra possibilità, ma devono resistere alla pioggia, al vento, al ghiaccio e ai raggi ultravioletti.
L’importante principio che governa l’isolamento mobile è che lo strato isolante deve essere posto sulla superficie esterna del componente solare (per ridurre i problemi di condensazione e quelli dello stress estivo, rispetto all’applicazione interna) e deve creare una camera d’aria dai contorni ben sigillati (soprattutto in inverno) per ottenere un efficace isolamento.
Il tempo richiesto all’utilizzatore per aprire e chiudere la maggior parte di questi sistemi è considerevole, fatta eccezione per quelli dotati di controllo meccanico. Inoltre i sistemi mobili sono efficaci solo quando sono operativi e quindi non possono ridurre le dispersioni di calore durante il giorno.
Esempi di isolamenti mobili sono forniti dalle fig. 2 e 3.

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.

SCHERMATURE – 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 (fig. 5). Gli schermi fissi tagliano sempre una parte della radiazione diffusa e quindi riducono l’illuminazione naturale.

SCHERMI MOBILI

In fig. 5 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 meccanici. 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. Un particolare sistema è costituito dallo “skylid“, nel quale un fluido di lavoro cambia la sua fase da liquida a vapore e la conseguente variazione di peso attiva un’azione meccanica.

VEGETAZIONE

Una vegetazione decidua 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.

 

E’ 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 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. 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.

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. 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.

Se il piano del collettore 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. 1 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 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.

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 riflettanza principalmente speculare, mentre la maggior parte delle altre superfici danno una riflettanza 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. 1).