Principi del riscaldamento solare passivo e sistemi, Facoltà di Architettura di Genova

Sistemi Solari Passivi

facoltà di architettura di genova_docente_andrea giachetta corso di progettazione bioclimatica - modulo: tecnologie bioclimatiche

1 sistemi solari passivi insieme delle tecnologie edilizie che sono in grado di controllare le dinamiche di scambi termici tra esterno ed interno dell'edificio, sfruttando come fonte di energia la radiazione solare e come elementi di captazione e di accumulo i componenti della costruzione stessa

Elementi Essenziali dei Sistemi di Captazione Passiva dell'Energia Solare

elementi essenziali dei sistemi di captazione passiva dell'energia solare sono: COLLETTORI MASSE D'ACCUMULO COMPONENTI DI CONTROLLO

Collettori

COLLETTORI di norma costituiti da una superficie trasparente o traslucida, integrata sulle facciate ben esposte dell'edificio o in copertura, e da un assorbitore, una superficie opaca scura, esposta alla radiazione solare che penetra la superficie trasparente

Masse d'Accumulo

MASSE D'ACCUMULO sono composte da materiali di diverso tipo e deputate a immagazzinare calore per poi ricederlo anche in assenza di radiazione solare

Componenti di Controllo

COMPONENTI DI CONTROLLO schermature per regolare l'ingresso della radiazione solare, riflettori per incrementare la radiazione incidente sui collettori, valvole e aperture regolabili che agiscono sui fluidi termovettori, ...

Importanza dell'Isolamento Termico nei Sistemi Solari Passivi

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2 nei sistemi solari passivi riveste una grande importanza l'isolamento termico sia delle parti murarie che delle parti vetrate (nelle ore in cui non svolgono funzione di collettore)

Configurazioni Architettoniche e Massa Termica

in generale (visto che le configurazioni architettoniche possono essere molto diverse fra loro) per rendere disponibile più massa termica è preferibile che l'isolamento sia esterno esiste tuttavia un approccio fondato sull'iper-isolamento (anche 40cm) spesso abbinato con l'uso di componenti edilizi leggeri (montaggio a secco) che adotta particolari tipi di strategie d'accumulo (es. a pavimento o con materiali a cambiamento di fase)

Classificazione dei Sistemi Solari Passivi

i sistemi solari passivi sono di diverso tipo e di norma vengono suddivisi in 3 categorie: a guadagno diretto, indiretto e isolato

Sistemi a Guadagno Diretto

a guadagno diretto dove l'energia radiante penetra direttamente nell'ambiente da riscaldare, viene accumulata da elementi che svolgono anche altre funzioni (es. pareti e pavimenti) e riceduta per convezione e irraggiamento (sistemi a guadagno diretto e serre)

Sistemi a Guadagno Indiretto

a guadagno indiretto dove l'accumulatore fa parte dell'involucro e riceve direttamente la radiazione solare per poi cederla all'interno sotto forma di energia termica (sistemi Trombe-Michel, Barra- Costantini, Roof- Pond)

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Sistemi a Guadagno Isolato

a guadagno isolato la captazione e la cessione dell'energia avvengono attraverso componenti indipendenti che possono anche essere collocati all'esterno dell'edificio ed il trasporto del calore avviene attraverso fluidi termovettori (generalmente aria) in condotti dotati di sistemi di regolazione e controllo

Critiche alla Classificazione dei Sistemi Solari Passivi

non tutti gli autori concordano però con questa classificazione es. le serre vengono da alcuni classificate come sistemi diretti, da altri come sistemi semidiretti o a spazio solare

Esempio: Stadlau Housing Complex

Stadlau Housing Complex Arge Architects, 1991

Concetti Base dei Sistemi Solari Passivi

alcuni concetti base ...

L'Effetto Serra

L'EFFETTO SERRA alla base del funzionamento dei sistemi solari passivi c'è l'effetto serra legato alle specifiche caratteristiche del vetro i vetri sono trasparenti alle radiazioni solari visibili ed infrarosse di piccola lunghezza d'onda (da 0,4 a 2,5 micrometri) ma non sono trasparenti per radiazioni di lunghezza d'onda superiore il flusso energetico solare è compreso nel campo di lunghezze d'onda 0,3 - 2,3 micrometri (con il massimo a 0,55 micrometri) dunque le radiazioni solari passano per trasparenza attraverso i vetri, penetrano negli ambienti retrostanti e vengono assorbite dalle superfici in esse presenti

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4 queste superfici emettono radiazioni infrarosse con lunghezze d'onda superiori a 3 micrometri, per le quali il vetro non è più trasparente TRASPARENZA OPACITA' EFFETTO SERRA

La Propagazione del Calore

LA PROPAGAZIONE DEL CALORE può avvenire per: conduzione, convezione e irraggiamento

Trasferimento per Conduzione

il trasferimento per conduzione ha luogo tra corpi che sono a contatto o tra parti di uno stesso corpo che si trovano a temperature diverse

Trasferimento per Convezione

la convezione ha luogo quando tra due corpi circola un fluido intermedio, fluido termovettore (aria, acqua, ... ), che si riscalda per conduzione a contatto con il corpo più caldo e poi cede calore a contatto con il corpo più freddo; correnti convettive: si hanno quando in un ambiente con una sorgente di calore, l'aria (o l'acqua) calda, meno densa di quella fredda, si sposta verso l'alto, mentre quella fredda si sposta verso il basso

Trasferimento per Irraggiamento

nell'irraggiamento il calore viene scambiato anche se tra i due corpi c'è il vuoto mediante emissione e assorbimento di radiazione elettromagnetica

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Fattore Solare di un Vetro (FS)

FATTORE SOLARE DI UN VETRO (FS) è il rapporto tra energia solare entrante ed energia solare incidente dove l'energia entrante è pari all'energia trasmessa + 1/3 dell'energia assorbita (che entra comunque nell'edificio) t= fattore di trasmissione a= fattore di assorbimento p= fattore di riflessione T+ a+ p = 1 FS= T + 0,33 CL

Masse d'Accumulo e Climatizzazione Solare Passiva

MASSE D'ACCUMULO la climatizzazione solare passiva assicura l'intera copertura del carico termico solo in condizioni particolarmente favorevoli per cui normalmente sono richiesti impianti ad integrazione (spesso a bassa temperatura) sono comunque necessarie masse d'accumulo proprio per conservare l'energia captata per i momenti nei quali i sistemi solari non sono in funzione (assenza di sole) l'accumulo termico serve per incorporare parte dell'energia termica captata per evitare fenomeni di surriscaldamento e restituirla all'ambiente quando viene meno la radiazione solare in relazione alla massa d'accumulo un primo fattore determinante è la posizione

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Tipi di Accumulatori Termici

ACCUM LO accumulatori termici primari: la massa è direttamente colpita dalla radiazione solare; gli accumulatori primari devono essere di colore scuro accumulatori termici secondari: la massa non viene colpita direttamente dalla radiazione solare ma è direttamente in contatto con quella degli accumulatori primari; poiché assorbono onde infrarosse lunghe non devono essere scuri accumulatori termici remoti: la massa non viene colpita direttamente dalla radiazione solare ne è in contatto con gli accumulatori primari e secondari (per gli scambi di calore si usano moti convettivi in particolari canalizzazioni)

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Capacità Termica dei Materiali

tutti i materiali possono accumulare energia termica ma in maniera differente la capacità termica aumenta con l'aumentare della densità e del calore specifico poiché il calore specifico non cambia molto fra i materiali impiegati in edilizia è soprattutto la densità (e quindi il peso specifico) ad assumere una grande importanza le strutture pesanti comportano (di norma) minori oscillazioni di temperatura di quelle leggere un materiale molto impiegato in edilizia è il calcestruzzo perché si presta allo scopo e può essere utilizzato anche come materiale da costruzione e strutturale in normali edifici gli spessori di una massa d'accumulo primaria in cls possono essere di circa 20 cm (spessore del tutto usuale)

Altri Materiali per l'Accumulo Termico

altri materiali che possono essere impiegati sono: il mattone pieno, la pietra, la terra pressata l'acqua presenta una migliore capacità termica rispetto al cls (la capacità termica di una parete d'acqua di 11,5 cm è uguale a quella di una parete in cls di 22,5 cm) inoltre l'acqua da luogo ad un'uniforme distribuzione della temperatura a causa dei moti convettivi ed il sistema entra prima a regime tuttavia esistono degli ovvi problemi di gestione di accumulatori ad acqua altri materiali utilizzabili sono gli accumulatori a cambiamento di fase (soprattutto in architetture con poca massa muraria, realizzate con sistemi leggeri e a secco)

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Accumulatori a Cambiamento di Fase

negli accumulatori a cambiamento di fase l'energia è accumulata mediante soluzioni di sali eutettici tali soluzioni sono ermeticamente sigillate in componenti edilizi a parete le sostanze utilizzate sono scelte in funzione della temperatura alla quale si vuole mantenere l'ambiente considerato esse registrano, infatti, (con particolari additivi) regolari fenomeni di cambiamento di fase a temperature vicine a quelle richieste nella climatizzazione degli alloggi nei cambiamenti di fase vi sono scambi termici, per cui la soluzione di sali cede calore quando scende sotto una determinata temperatura e lo assorbe al di sopra di una determinata temperatura presentano però problemi economici e di impiego

Accumulatori Remoti con Pietrisco

altro materiale è il pietrisco usato in particolari vasche negli accumulatori remoti in queste vasche vengono fatti passare condotti (spesso in cemento forati) per la distribuzione del calore la pezzatura dei ciotoli è di norma di 2 - 4 cm percorrendo gli interstizi che tra essi si formano l'aria calda entrante cede calore che viene così accumulato e poi riceduto all'edificio in tempi regolati dall'opportuno dimensionamento delle vasche

Esempio di Predisposizione della Massa d'Accumulo

predisposizione della massa d'accumulo a pavimento in un intervento di recupero a Gard

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Dimensionamento degli Accumulatori Termici

esempi di dimensionamento in normali situazioni residenziali: accumulatore primario in cls con radiazione incidente da sud su un solo lato - spessore 22,5 cm accumulatore secondario - spessore 15 cm quando l'area della massa secondaria è 1/4 di quella della massa primaria 10 cm per aree uguali, 5 cm per aree pari a 5 volte quelle della massa primaria un materiale a cambiamento di fase deve essere distribuito su una superficie di accumulo avente un'area di almeno 1,75 volte la finestra esposta a sud per i muri solari: 30 cm in cls, 15 cm ad acqua metodi di calcolo specifici elaborati da studiosi come Silvestrini o Achard e Gicquel (per le masse d'accumulo a pavimento in pietrisco)