4. Concetti del solare passivo

Il progetto di sistemi solari passivi si basa sui seguenti concetti generali:

- la raccolta della radiazione solare;

- l'accumulo dell'energia solare;

- la distribuzione del calore solare;

- la luce naturale e il confort visivo.

4.1. Raccolta della radiazione solare

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.

4.1.2. 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.

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.

4.1.3. 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. 2).

Il vetro è il materiale trasparente più comunemente usato. La fig. 2 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.

4.1.5. 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 (5).

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.

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. 3 e 4 (6).

4.1.6. 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.

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.

4.1.6.2. Schermi mobili

In fig. 6 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 (8). 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.

4.1.7. 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.