CAPITOLO II

L’AMBIENTE NATURALE

 

 

 

 

2.1. Climatologia

La climatologia è la scienza che studia i macroclimi ed i microclimi. Per macroclima si intende l'effetto risultante dalla combinazione dei vari fattori meteorologici che caratterizzano una regione in un lungo periodo; per microclima invece si intende l'effetto risultante dei vari fattori meteorologici che caratterizzano una piccola area del territorio. I fattori meteorologici sono: la temperatura dell'aria, le precipitazioni, la pressione atmosferica, l'umidità relativa, lo stato del cielo, il regime dei venti, la radiazione solare. La combinazione dei vari fattori in un preciso istante fornisce la condizione del tempo. Le classificazioni della superficie terreste in differenti aree climatiche sono numerose ed i metodi dipendono soprattutto dall'ampiezza territoriale considerata e dai fini per i quali tali classificazioni vengono elaborate. Relativamente all'intera superficie terrestre la classificazione ormai adottata come standard è quella elaborata da Koeppen (1). Altra classificazione climatica, relativa sempre alla scala terrestre, è quella basata sul comfort termico per gli esseri umani, elaborata da Olgyay (2) e finalizzata specificamente alla progettazione architettonica e distingue quattro climi diversi:

- Freddo: caratterizzato dalla mancanza di calore per la totalità o per la maggior parte dell'anno. Temperatura minima media del mese più freddo dell'anno < -15°C.

- Temperato: caratterizzato da una temperatura media mensile del mese più freddo fino a -15°C e da una temperatura media mensile del mese più caldo fino a 20°C.

- Caldo secco: caratterizzato da una elevata temperatura e da un elevato irraggiamento solare. La temperatura media mensile dei mesi più caldi è > 25°C.

- Caldo umido: caratterizzato da un elevato indice di umidità. Almeno un mese all'anno la temperatura media e superiore ai 20°C con umidità relativa attorno all'80%.

Relativamente al territorio italiano (fig. 1), è stata elaborata una classificazione climatica, finalizzata al rapporto fra l'edificio e il clima (3). Tale classificazione è riferita alla stagione calda e a quella fredda ed il metodo di elaborazione è basato sull'esame comparato di una serie dettagliata di fattori meteorologici.

Fig. 1. Caratteristiche delle zone climatiche italiane

Ai fini della progettazione edilizia-urbanistica in generale ed in particolare di quella bioclimatica, i sistemi climatici di interesse specifico sono il microclima ed il clima locale. Infatti le caratteristiche del microclima e del clima locale condizionano fortemente le scelte progettuali finalizzate al comfort e al benessere ambientale. Il microclima e il clima locale, data la minima ampiezza territoriale a cui si riferiscono, sono fortemente condizionati dai materiali tipici del luogo. Si possono avere quindi a parità di fattori meteorologici, situazioni climatiche differenti anche a brevi distanze.

Tali fattori geografici possono essere così suddivisi (4):

- roccia;

- suolo;

- acqua;

- vegetazione;

- agricoltura;

- industria e città.

- forma geometrica;

- energia;

- esposizione;

- rilievi topografici;

- albedo;

- capacità radiante.

Il microclima specifico di un luogo può essere modificato parzialmente intervenendo adeguatamente su questi fattori.

2.2. Meteorologia

E' lo studio dei fenomeni meteorologici che concorrono alla formazione del clima. I fenomeni principali che si analizzano per la progettazione architettonica sono:

- la temperatura dell'aria;

- le precipitazioni;

- l'umidità relativa;

- lo stato del cielo;

- il regime dei venti;

- la radiazione solare.

2.2.1. La temperatura dell'aria

Per temperatura dell'aria s'intende lo stato termico dell'atmosfera esistente in un punto ed in un determinato momento temporale. L'aria non viene scaldata direttamente dai raggi solari, ma per reirraggiamento e convezione dalla superficie terrestre. La temperatura della superficie terrestre dipende dal bilancio energetico tra l'energia solare assorbita dalla crosta terrestre e dalla reimmissione di quest'ultima sotto forma di energia infrarossa nell'atmosfera.

I valori più frequentemente utilizzati sono quelli della temperatura media giornaliera o quelli della temperatura media mensile.

La temperatura dell'aria di un microclima o di un clima locale è condizionata fortemente da fattori di tipo meteorologico topografico. In particolare i fattori principali condizionanti sono: lo stato del cielo, il vento, l'altitudine ed i rilievi, la natura del suolo, i corpi d'acqua, l'orientamento dei pendii e la vegetazione presente. La temperatura inoltre varia con la latitudine. Infatti la temperatura del suolo, che determina poi la temperatura dell'aria, diminuisce proporzionalmente dalla distanza dell'equatore.

A parità di condizioni meteorologiche e topografiche, nelle zone urbanizzate la temperatura dell'aria è differente rispetto alle zone limitrofe non urbanizzate.

In un tessuto urbano d'inverno la temperatura è mediamente superiore di circa 2°C rispetto alla campagna circostante, mentre in estate la differenza può essere ancora più accentuata. Questo effetto è dovuto sia all'esistenza di fonti di calore e sia alla capacità di assorbimento ed accumulo del calore da parte dei materiali edilizi. Nelle zone urbanizzate inoltre, le escursioni termiche giorno-notte sono meno marcate che in campagna, poiché l'edificato reirraggia durante la notte il calore accumulato.

2.2.2. Precipitazioni

Per precipitazione s'intende qualunque stato fisico dell'acqua che raggiunge la superficie terreste.

Le forme allo stato liquido sono:

- Pioggia: gocce d'acqua di diametro superiore a mezzo millimetro e velocità di caduta superiore ai 3 m/s.

- Rugiada: goccioline di acqua che si depongono sulla superficie dei corpi durante la notte per condensazione del vapore acqueo contenuto negli strati dell'atmosfera più vicini al suolo.

Le forme allo stato solido sono:

- Neve: cristalli d'acqua di forma esagonale, generalmente riuniti in fiocchi.

- Grandine: costituita da globuli di ghiaccio.

- Brina: costituita da cristalli aghiformi che derivano dalla solidificazione del vapore acqueo contenuto negli strati dell'atmosfera più vicini al suolo, se la temperatura scende al di sotto degli 0°C.

Relativamente alle precipitazioni, si misura il parametro quantità ed il parametro frequenza. La quantità si valuta calcolando lo spessore dello strato di acqua che si formerebbe su un terreno perfettamente piano, senza assorbimento ne evaporazione. Per frequenza s'intende il numero di giorni in cui si verifica la precipitazione all’interno un certo intervallo temporale prescelto.

2.2.4. Umidità relativa

Per umidità relativa s'intende la quantità di vapore acqueo contenuto in un metro cubo d'aria secca in un dato istante ed in un dato punto dell'atmosfera.

L'umidità relativa riveste particolare importanza nel condizionamento estivo degli ambienti. Infatti, nel periodo estivo l'elevato contenuto di umidità dell'aria esterna, crea problemi di comfort alle persone. L'umidità relativa insieme con la temperatura dell'aria sono i due parametri più importanti che incidono sul comfort delle persone.

Conoscendo i valori orari dei due parametri in questione è poi possibile utilizzare il Diagramma Bioclimatico (vedi cap. 3), che è alla base di tutta la progettazione architettonica bioclimatica.

2.2.5. Vento

Le correnti d'aria, rilevate in un determinato punto della superficie terrestre determinate dagli spostamenti delle masse d'aria, a causa delle differenti pressioni atmosferiche di due zone limitrofe, costituiscono il vento.

Tanto maggiore è la differenza di pressione tanto più veloce è lo spostamento delle masse d'aria. Le differenze di pressione generalmente sono provocate dall'ineguale riscaldamento della crosta terreste ad opera della radiazione solare incidente.

Il vento è caratterizzato da tre parametri: la velocità, la direzione e la frequenza. A livello di microclima o clima locale, rivestono particolare importanza le brezze costiere e quelle montane. Le brezze costiere sono generate dall'ineguale riscaldamento della terra e del mare: durante il giorno, le masse d'aria che sovrastano il mare, scivolano sotto a quelle sovrastanti la terra, le quali si sollevano a causa della diminuzione di densità conseguente al riscaldamento. Ciò è dovuto dal fatto che durante il giorno, la superficie della terra si riscalda più rapidamente del mare; di notte invece il fenomeno s'inverte, in quanto è il mare ad essere più caldo. Le brezze montane sono generate dal differente riscaldamento dell'aria circostante la vetta dei rilievi rispetto a quella, alla stessa quota, che sovrasta la valle. I rilevi inoltre influenzano la direzione e la velocità dei venti.

        1. Correnti d’aria all’interno degli edifici

Le forze che producono una ventilazione naturale all’interno degli edifici si possono classificare in:

Ciascuna di queste due forze può agire da sola, in combinazione, o in opposizione all’altra, secondo le condizioni atmosferiche e la configurazione dell’edificio.

        1. Ventilazione ad opera del vento
        2. Una casa posta in una corrente d’aria, accumula l’aria in moto sul lato sopravento, determinando un area di pressione relativamente alta.

          Il flusso che avvolge l’edificio crea delle zone di bassa pressione sui lati adiacenti a quello sopravento. Sul lato sottovento, si produce un ombra di vento con una pressione relativamente bassa. Quest’ombra di vento verrà gradualmente riempita dall’aria circostante, sicché alla distanza di circa due volte e mezza l’altezza dell’edificio l’aria è in quiete; da questo punto l’aria affluisce, con moto retrogrado, sia verso l’edificio che nel senso del vento allontanandosi da esso; il vento riacquista la sua velocità iniziale a una distanza pari a sette volte l’altezza dell’edificio (fig. 2). Questi andamenti dei flussi d’aria che si formano attorno alla casa sono determinati dalla geometria dell’edificio e sono indipendenti dalla velocità dell’aria (5). La differenza di pressione fra i lati sopravento e sottovento possono contribuire a creare una corrente d’aria all’interno dell’edificio. La collocazione delle aperture è più efficace quando l’apertura di entrata è rivolta verso un area di alta pressione e quella di uscita verso una di bassa pressione.

          Fig. 2. Flussi d’aria intorno ad un edificio.

        3. Caratteristica del flusso d’aria
        4. E’ evidente che, negli edifici privi di aperture d’entrata, all’interno non ci sarà nessuna corrente d’aria. E’ anche ovvio che grandi aperture poste l’una opposta all’altra e collocate rispettivamente sulle aree di alta e bassa pressione determinano il massimo ricambio d’aria possibile (fig. 3).

          Fig. 3. Flussi d’aria dentro gli edifici.

           

          Fig. 4. Flussi d’aria dentro gli edifici.

          Per il raffrescamento estivo, una sufficiente velocità è però più importante della quantità dei ricambi d’aria. Usando un apertura d’entrata di piccole dimensioni, si ottiene un effetto Venturi, che assicura la massima velocità all’interno dell’edificio (fig. 4)(6).

        5. Effetto inerzia
        6. Aperture di entrata e di uscita poste simmetricamente producono un andamento lineare del flusso interno. Con aperture disposte asimmetricamente, conformemente alla differenza tra le forze di pressione componenti, l’aria entra nell’edificio con un angolo obliquo. Il flusso interno tende a seguire per inerzia, la sua direzione originaria fino a quando la forza generata dalla differenza di pressione fra l’apertura d’entrata e quella d’uscita, lo costringerà a deviare verso l’uscita (fig. 5 e 6) (7).

          Fig. 5. Flussi d’aria dentro gli edifici.

        7. Divisori all’interno degli edifici
        8. L’andamento dei flussi interni è funzione delle aperture ed è largamente indipendente dalle altre caratteristiche geometriche di una stanza. Un flusso rettilineo assicura il movimento d’aria più veloce, mentre ogni cambiamento di direzione ne rallenta la velocità. Ogni improvviso mutamento di corso, causato da mobili, arredi o divisori, riduce notevolmente la velocità dell’aria. I divisori interni dovrebbero essere disposti tenendo conto dell’andamento dei flussi.

          Se si pone un divisorio fuori dalla corrente, la velocità e l’andamento del flusso rimangono inalterati. Se lo steso divisorio è posto sul percorso del flusso, la corrente viene interrotta e rallentata e la ventilazione in entrambe le stanze risulta insufficiente (fig. 7 e 8) (8).

           

           

           

          Fig. 6. Flussi d’aria dentro gli edifici.

          Fig. 7. Flussi d’aria dentro gli edifici.

          Fig. 8. Flussi d’aria dentro gli edifici.

        9. Ventilazione per differenza di temperatura
        10. La differenza di temperatura esistente fra l’aria all’interno e all’esterno dell’edificio, a causa della diversa densità, fa salire la colonna d’aria più calda per effetto gravitazionale. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è l’altezza fra le aperture di entrata e di uscita e maggiori sono le loro dimensioni, tanto più energico sarà l’effetto camino.

          Il ricambio d’aria per gravitazione è uno dei motivi per cui bisogna usare soffitti alti nel climi caldi. La hall centrale o la disposizione della tromba della scala nella casa meridionale multipiano era il riconoscimento, derivato dall’esperienza, dell’effetto camino.

          La velocità relativamente bassa della convezione naturale è però inadeguata per mitigare le alte temperature o per ovviare al disagio causato dall’umidità elevata. In queste condizioni è necessario ricorrere sempre alla forza del vento.

        11. Direzione del vento e disposizione delle abitazioni

Gli edifici disposti perpendicolarmente alla direzione del vento ricevono sul lato esposto il pieno impatto del vento. Se invece essi sono disposti a 45°, la velocità del vento si riduce del 50%. Le file di edifici posti tra di loro a una distanza pari a sette volte le rispettive altezze assicurano un soddisfacente effetto di ventilazione per ciascun edificio. Una disposizione ad unità alternate sfrutta l’andamento rimbalzante del vento (fig. 9)(9).

Fig. 9. Andamento del flusso d’aria intorno a degli edifici.

 

2.2.6. Stato del cielo

Si definisce stato del cielo la quantità di cielo coperto, o meno, da nubi in un dato istante ed in un determinato punto di rilevazione. In base alla quantità media di cielo coperto rilevato, i giorni si classificano in sereni, misti e coperti.

Lo stato del cielo è uno dei fattori meteorologici principali che modificano la temperatura dell'aria di un luogo.

Infatti uno stato del cielo sereno, produce l'effetto di forti escursioni termiche nel corso della giornata, in quanto oltre a consentire il passaggio di una grande quantità di radiazione solare incidente, consente anche un facile reirraggiamento verso lo spazio di questa energia assorbita dalla crosta terreste.

Nelle giornate con lo stato del cielo coperto, l'escursione della temperatura è minore per i motivi opposti.

Oltre che a livello giornaliero, lo stato del cielo influisce sulle temperature a livello stagionale.

In estate con il cielo sereno, le giornate sono più calde, in quanto la quantità di energia solare ricevuta dalla superficie terrestre è maggiore rispetto alle giornate con il cielo coperto.

In inverno, invece, una giornata con cielo coperto è più calda rispetto ad una con il cielo sereno e ciò dipende dal fatto che viene limitato il reirraggiamento notturno attraverso l'atmosfera.

2.2.7. Radiazione solare

Per radiazione solare s'intende il flusso di energia emesso dal sole e assorbito dalla crosta terreste.

La radiazione solare attraversando gli strati atmosferici subisce diversi effetti, una parte viene riflessa verso lo spazio, una parte viene diffusa in tutte le direzioni, una parte viene assorbita e infine una parte denominata radiazione solare diretta, raggiunge direttamente la superficie terreste.

Secondo valutazioni teoriche, ponendo uguale a 100 il valore della costante solare, la radiazione totale sulla terra, in condizioni di cielo sereno, è pari a 68. Tale percentuale in parte viene riflessa (albedo) ed in parte viene assorbita. La parte assorbita, si trasforma in calore e fa aumentare la temperatura dell'aria, del suolo, e degli oggetti circostanti (fig. 10).

 

2.3. Morfologia

La morfologia del territorio è lo studio delle forme che lo caratterizzano. Le componenti principali che costituiscono la morfologia di un territorio sono:

Fig. 10. Scambi termici fra atmosfera e terra.

Ai fini della progettazione bioclimatica lo studio attento di queste componenti riveste una importanza fondamentale.

Le scelte progettuali sono fortemente condizionate dalle singole caratteristiche di questi parametri, nonché dall'ambiente risultante dalle loro combinazioni.

2.3.1. Altitudine e rilievi

L'altitudine è l'altezza di un punto nello spazio rispetto al livello del mare, fissato come riferimento convenzionale.

L'altitudine influenza il valore della temperatura dell'aria. In estate, la temperatura varia di circa 1°C ogni 180 m di dislivello; in inverno 1°C ogni 220m. Le variazioni di temperatura sono inversamente proporzionali al variare dell'altitudine.

I rilevi, agendo come dighe, impediscono, nelle ore notturne, che flussi d'aria calda possano lambire il terreno; ciò provoca la formazione di laghi di aria fredda. Inoltre i rilievi influenzano i microclimi e i climi locali modificando la velocità e la direzione dei venti.

2.3.2. Clivometria

Si definisce clivometria la pendenza media del terreno rispetto all'orizzontale (fig. 11)(10).

Nella progettazione di edifici bioclimatici la clivometria costituisce un elemento da verificare attentamente.

Fig. 11. Ombre proiettate da edifici su pendii inclinati.

A parità di condizioni di orientamento dei pendii e altezza del sole, gli oggetti posti sul versante provocano ombre portate sul terreno più o meno ampie a seconda della pendenza del versante stesso.

E' evidente quindi che a parità di percorso solare, le distanze da determinare per evitare che un edificio proietti la sua ombra su un altro, dipendano esclusivamente dalla pendenza del terreno stesso.

2.3.4. Orientamento dei pendii

La direzione che hanno le linee di massima pendenza dei pendii, rispetto agli assi cardinali, determinano l'orientamento dei pendii.

L'orientamento dei pendii condiziona la temperatura dell'aria; i pendii orientati a sud ricevono una maggiore quantità di radiazione solare e quindi determinano una temperatura locale più elevata. In un territorio dove due luoghi relativamente vicini sono situati su pendii aventi diverse esposizioni, sono caratterizzati da notevoli differenze microclimatiche.

2.4. Caratteristiche locali

Con questa espressione si indicano quegli elementi che pur non intervenendo direttamente alla formazione del microclima o del clima locale, lo condizionano e lo modificano parzialmente.

2.4.1 Suolo ed effetto albedo

Il suolo riveste particolare importanza ai fini del microclima, in quanto la temperatura dell'aria di un luogo è determinata dallo scambio di calore con il terreno. I terreni aridi determinano temperature più elevate e minore umidità; al contrario i terreni umidi, determinano temperature più basse e umidità elevata.

Il microclima presente al di sopra di un terreno spoglio è caratterizzato da notevoli escursioni termiche giornaliere; mentre se il suolo è erboso, la superficie d'erba in estate, assorbe la radiazione solare ed i processi di evaporazione abbassano la temperatura dell'aria.

Per effetto albedo s'intende la quota della radiazione solare diretta e diffusa che viene riflessa dal terreno e dagli oggetti circostanti.

Ogni tipo di suolo o vegetazione ha valori di albedo caratteristici (fig. 12)(11).

Fig. 12. Valori medi dell’albedo per alcune superfici.

2.4.2. Corpi d'acqua

La presenza di corpi d'acqua su di un territorio influenza e modifica il clima locale e il microclima. Il rapporto fra masse di terra e di acqua determina situazioni climatiche specifiche.

Quando il rapporto terra acqua è alto si avranno temperature più alte e maggiori escursioni termiche giornaliere ed annuali; viceversa quando esso è basso le escursioni termiche saranno più contenute e i valori della temperatura saranno più bassi.

Questo fenomeno è causato dalle differenti capacità termiche del suolo e dell'acqua.

Nella stagione invernale le masse d'acqua purché non ghiacciate, modificano la temperatura minima dell'aria facendola innalzare; nella stagione estiva, i corpi d'acqua abbassano la temperatura massima dell'aria, innalzando però i valori dell'umidità.

2.4.3. Vegetazione

Le piante esercitano un'azione fondamentale per la determinazione del microclima del luogo grazie al procedimento di fotosintesi.

Il processo di fotosintesi porta alla purificazione dell'aria, nonché alla formazione di composti organici necessari per l'accrescimento delle piante.

Le piante quindi in presenza di acqua e di luce, consumano l'anidride carbonica presente nell'atmosfera e producono ossigeno.

Fig. 13. Efficacia delle colture secondo le diverse finalità.

Per quanto riguarda l'influenza sul microclima la vegetazione assume una notevole importanza per i seguenti aspetti:

2.4.3.1. Ombreggiamento

Non tutta la vegetazione intesa in senso lato produce effetti di ombreggiamento (prati, pascoli, ecc..). Gli alberi ad alto e medio fusto proiettano ombra sul suolo o sugli edifici, in misura maggiore o minore a seconda della forma della chioma.

In generale, l'effetto di ombreggiamento sul suolo è modesto per le chiome a forma fusiforme ed ovoidale, mentre è sensibile per quelle sferoidale, conica e emisferica. Bisogna tuttavia considerare che sulle pareti verticali degli edifici, l'ombreggiamento può essere rilevante in relazione alla densità degli alberi.

L'ombreggiamento provocato dagli alberi sul suolo o sulle pareti degli edifici può costituire un elemento favorevole o sfavorevole a seconda delle stagioni. In estate le alberature producono un effetto favorevole per i seguenti motivi:

a) sul suolo:

- proteggono le colture a terra da un eccessiva traspirazione;

- possono creare luoghi di sosta ombreggiati.

b) Sulle pareti degli edifici:

- impediscono il surriscaldamento delle pareti opache;

- impediscono un eccessivo soleggiamento dei sistemi solari passivi.

Le alberature producono invece effetti sfavorevoli durante la stagione invernale per i seguenti motivi:

a) sul suolo:

- ostacolano l'evaporazione dell'acqua;

- impediscono lo scioglimento di eventuali croste di ghiaccio.

b) Sulle pareti degli edifici:

- impediscono il guadagno termico dovuto al soleggiamento;

- mantenendo fredde le pareti si possono avere fenomeni di condensa.

Dalle precedenti considerazioni emerge l’opportunità di utilizzare alberature a foglia caduca, in tal modo vengono mantenuti gli effetti positivi e si eliminano quasi completamente gli effetti sfavorevoli durante la stagione fredda.

Per quanto riguarda la determinazione dell’entità quantitativa dell’ombra portata, nelle varie stagioni, e la sua durata, durante l’arco della giornata, la chima del singolo albero o di un insieme di alberi può essere assimilata, con buona approssimazione, ad un solido geometrico.

2.4.3.2. Frangivento

Gli effetti positivi di una barriera frangivento costituita da alberi opposti alla direzione del vento freddo dominante (riduzione del carico termico dell'edificio, riduzione della pressione sugli infissi esterni) dipendono dall'altezza della barriera, dalla densità degli alberi e dalla configurazione della specie arborea utilizzata. A tal fine è utile considerare i seguenti parametri (fig. 14)(12):

- forma geometrica della chioma;

- dimensioni assolute della chioma;

- comportamento stagionale (decidua o caduca);

- forma delle foglie.

Mentre il regime del vento, non può essere modificato, esso può subire delle variazioni locali ad altezze prossime al suolo, grazie all'inserimento di barriere frangivento.

L'effetto di protezione della barriera si manifesta con una riduzione della velocità del vento e ciò dipende da diversi fattori:

- l'altezza della barriera;

- la natura fisica della barriera;

- la distanza della barriera dagli edifici da proteggere;

- la lunghezza della barriera.

Fig. 14. Forme e dimensioni delle barriere frangivento.

2.4.3.3. Raffrescamento estivo

L’ambiente immediatamente circostante agli edifici bassi ha specifici effetti sull’andamento e sulla velocità del vento. Ciò libera entro, certi limiti, gli edifici da rigidi requisiti di orientazione.

Gli elementi paesaggistici, comprese le piante, gli alberi e i cespugli, i muri e le siepi, possono creare zone di alta e bassa pressione intorno ad una casa in corrispondenza delle aperture.

Si dovrebbe fare attenzione che la loro (fig. 15) disposizione non elimini le brezze rinfrescanti durante i periodi surriscaldati; la vegetazione dovrebbe essere piantata in modo da dirigere e accelerare i movimenti d’aria benefici dentro l’edificio (13).

Fig. 15. Influenza della vegetazione sui movimenti d’aria

 

2.5. Energia

2.5.1. Soleggiamento

Indica il numero delle ore giornaliere nelle quali un punto è colpito dalla radiazione solare.

2.5.1.1. Costruzione del diagramma solare cilindrico

La descrizione del moto apparente del sole nella volta celeste può avere luogo mediante una carta solare proiettata sul piano verticale. Il sistema di coordinate impiegato è centrato nell'osservatore e usa come riferimento il piano dell'orizzonte. Su di esso sono definiti: l'altezza del sole, cioè l'angolo zenitale formato dalla linea dell'orizzonte e la posizione del sole sopra l'orizzonte e l'angolo azimutale del sole, cioè l'angolo formato con la direzione sud dalla proiezione della retta sole terra, sul piano dell'orizzonte. Il valore degli angoli zenitale e azimutale, dipende dall'ora del giorno, dal giorno dell'anno e dalla latitudine del luogo (fig. 16).

Fig. 16. Costruzione diagramma solare cilindrico.

Una volta noti gli angoli zenitali e azimutali si può stabilire la posizione del sole nel cielo e collegando i punti che rappresentano le posizioni del sole nelle diverse ore del giorno si può tracciare il percorso del sole in quel giorno. Esso è più lungo durante i mesi estivi quando esso raggiunge la sua massima altezza sorgendo e tramontando con i massimi angoli azimutale e zenitale misurati dal sud geografico (14).

Durante i mesi invernali il sole è molto basso sull'orizzonte sorgendo e tramontando con i minimi angoli azimutale e zenitale.

Il diagramma solare risultante fornisce giorno per giorno e ora per ora la posizione del sole.

Su questo diagramma così ottenuto si riporta con uno strumento topografico (clisimetro, teodolite)la forma degli oggetti che stanno al disopra della linea dell'orizzonte, e che si possono osservare dal punto in cui verrà costruito il nuovo edificio.

Fig. 17. Utilizzo del diagramma solare cilindrico.

In questo modo si è in grado di valutare le ore di soleggiamento a nostra disposizione (fig. 17); cioè vediamo quali oggetti circostanti e in quali ore del giorno essi coprono il sole, impedendoci di sfruttare la sua energia a nostro favore (15).

Fig. 18. Diagramma solare cilindrico per la latitudine 44° Nord

2.5.1.2 Calcolo delle ore di soleggiamento in montagna

Per il calcolo delle ore di soleggiamento, o delle ombre portate da rilievi, si ricorre all'uso di un diagramma costituito da due parti. Nella parte inferiore sono disposti su un piano orizzontale i valori orari degli angoli azimutali del sole, sovrapposti ad una serie di cerchi concentrici che rappresentano la distanza in scala dal centro delle cime montuose che possono proiettare ombra.

Nella parte superiore del diagramma sono riportati i valori orari dell'altezza del sole e la scala metrica per le ostruzioni verticali (differenza di quota tra la cima della montagna e la quota del sito in esame).

Al diagramma relativo alla latitudine del luogo in esame ed alla data richiesta si sovrappone la mappa orografica del luogo, con il corretto orientamento dell'asse est-ovest. Si individuano nella parte inferiore del diagramma, lungo le linee azimutali le cime e le creste delle montagne che possono proiettare ombre sul sito in esame. Di qui si riporta, nella parte superiore del diagramma, nella scala delle altezze la differenza di quota tra la cima della montagna e quella del sito. Se tale differenza è minore del prodotto della distanza per la tangente dell'altezza del sole per l'ora considerata, il sito non risulta in ombra (fig. 19)(16).

Fig. 19. Diagramma per il soleggiamento latitudine 44° Nord

2.5.2. Radiazione solare

E' la quantità di energia termica che giunge dal sole su una determinata area della superficie terrestre, in un certo periodo di tempo.

La quantità di radiazione incidente varia a seconda dell'orientamento e dell'inclinazione della superficie considerata. Tale radiazione dipende da parametri astronomici (latitudine quota e data) e geometrici (orientamento e inclinazione delle superfici) e da parametri atmosferici (nuvolosità, umidità, ecc..).

La radiazione solare può essere considerata come somma della radiazione diretta, diffusa dal cielo e da quella diffusa dagli oggetti.

La radiazione diretta è quella proveniente direttamente lungo la linea che congiunge il sole alla terra ed ha un andamento angolare noto in ogni località in funzione del giorno e dell'ora.

La radiazione diffusa è quella parte della radiazione assorbita e dispersa dai gas dell'atmosfera, dalle nuvole e dalla polvere.

La radiazione diffusa dagli oggetti circostanti ha un andamento angolare che dipende dalle caratteristiche e dalla disposizione del paesaggio visto dalla superficie di raccolta.

2.5.2.1. Diagrammi per la determinazione della radiazione solare

Nella progettazione di sistemi solari passivi per il riscaldamento degli edifici è importante conoscere la quantità di radiazione incidente su una superficie in una giornata di sole invernale.

Fig. 20. Utilizzo dei calcolatori della radiazione solare.

Le isoflusso a cielo sereno sono dei diagrammi che permettono di calcolare la quantità di energia termica incidente su una superficie, in una giornata libera, per ogni posizione del sole relativamente a quella superficie.

Le linee del diagramma rappresentano la potenza termica espresse in kW/mq.

Fig. 21. Calcolatore della radiazione solare per superfici diversamente inclinate.

Per calcolare la potenza termica intercettata da una superficie rivolta in una qualsiasi direzione si opera nel seguente modo:

  1. si sovrappone il diagramma corrispondente all'inclinazione della superficie al diagramma del percorso solare corrispondente alla latitudine considerata;
  2. si determina l'orientamento della superficie in esame;
  3. si trasla il diagramma fino ad allineare la linea di riferimento verticale con il numero di gradi (angolo azimutale) che la superficie forma con il sud geografico;
  4. si sceglie il mese per il quale si vuole fare la misurazione e si usa il percorso solare relativo per ottenere i valori della radiazione;
  5. si sceglie l'ora del mese per il quale si vuole fare la misurazione, l'intersezione fra linea oraria ed il percorso del sole indicherà la posizione del sole e sul diagramma si leggerà il numero di kW/mq disponibili per quella posizione del sole;
  6. per determinare la quantità totale giornaliera di energia solare incidente su una superficie si sommano i valori orari per ciascuna ora (17).

 

NOTE

(1) Koeppen W., Grunddriss der Klimakunde, Walter De Gruyter and Company, 1931, Berlino.

(2) Olgyay V., Progettare con il clima, Franco Muzzio Editore, 1990 Padova.

(3) CNR, Guida al controllo energetico della progettazione, 1985, Roma.

(4) Stringer E.T., Geografical meteorology, Weather, 1958, pp. 377-384.

(5) Olgyay V., Progettare con il clima, Franco Muzzio Editore, 1990 Padova, pp. 181.

(6) Olgyay V., Progettare con il clima, Franco Muzzio Editore, 1990 Padova, pp. 183.

(7) Olgyay V., Progettare con il clima, Franco Muzzio Editore, 1990 Padova, pp. 183.

(8) Olgyay V., Progettare con il clima, Franco Muzzio Editore, 1990 Padova, pp. 184-185.

(9) Olgyay V., Progettare con il clima, Franco Muzzio Editore, 1990 Padova, pp. 178.

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(12) Benedetti Cristina, Manuale di Architettura Bioclimatica, Maggioli, 1994, Dogana (RSM), pp. 36.

(13) Benedetti Cristina, Manuale di Architettura Bioclimatica, Maggioli, 1994, Dogana (RSM), pp. 37.

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(15) Mazria Edward, Sistemi solari passivi, Franco Muzzio Editore, 1990, Padova, pp. 247.

(16) Benedetti Cristina, Manuale di Architettura Bioclimatica, Maggioli, 1994, Dogana (RSM), pp. 54.

(17) Mazria Edward, Sistemi solari passivi, Franco Muzzio Editore, 1990, Padova, pp. 250.

 

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