In un sistema a guadagno isolato il collettore solare è termicamente isolato dagli ambienti dell'edificio. Nei sistemi passivi il trasferimento di energia dal collettore all'ambiente o all'accumulo e dall'accumulo all'ambiente avviene solo attraverso processi non meccanici, come la convezione e l'irraggiamento. Il più comune tra questi processi di trasferimento dell'energia è una forma particolare di convezione conosciuta come effetto termosifone: l'aria è riscaldata nel collettore, diventa meno densa e si alza, richiamando aria più fredda dal basso; l'aria più calda trasferisce la sua energia all'accumulo isolato o alla stanza ed ai suoi occupanti, si raffredda e ricade verso il basso per essere ripresa dal collettore, da cui il ciclo continua fintanto che il collettore rimane sufficientemente caldo.
4.8.1. Termosifone
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Descrizione:
Un particolare tipo di collettore a guadagno isolato è conosciuto come sistema a termosifone (fig. 23) anche se un anello convettivo viene utilizzato in molti altri sistemi. Un collettore piano, di materiale leggero e protetto da una superficie vetrata, viene situato nella posizione più efficace ai fini del guadagno solare, ma comunque separato e sottostante l'accumulo termico. Il flusso di aria calda è spinto dalla differenza di densità tra le due colonne di aria riscaldata e fredda e l'entità del moto dipende dalla differenza tra le temperature dell'aria nel collettore e nell'accumulo e dal dislivello tra i due.
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Requisiti e varianti:
Gli elementi base di un sistema a termosifone comprendono un collettore con piastra assorbitrice ed una massa d'accumulo termico distaccata. Il calore solare è assorbito da una superficie metallica annerita, l'aria viene riscaldata e quindi si eleva naturalmente per poi entrare nell'accumulo termico. Questo calore accumulato viene poi distribuito nell'aria ambiente per convezione. La massa d'accumulo termico può essere situata sotto il pavimento dell'edificio, sotto le finestre o in elementi di tamponamento prefabbricati. La disposizione spaziale dell'edificio è meno critica per l'efficienza del sistema rispetto agli altri tipi di guadagno solare. La scelta di una superficie selettiva per l'assorbimento migliora l'efficienza del collettore, in quanto si riducono le perdite radiative e quindi aumenta la temperatura superficiale della piastra assorbitrice.
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Controlli:
Nei sistemi a termosifone l'area di interfaccia tra collettore ed accumulo non è molto grande e quindi può essere facilmente chiusa per impedire flussi inversi dell'aria. E' stato provato, comunque, che è difficile progettare delle chiusure efficaci che impediscano le fughe d'aria. I controlli tra accumulo e ambiente riscaldato sono sempre necessari per evitare il surriscaldamento. L'interfaccia tra la massa dell'accumulo e l'edificio determinerà la velocità con cui l'ambiente può essere riscaldato per irraggiamento e convezione.
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Vantaggi:
- abbagliamento, visuale e degradazione ultravioletta dei tessuti non sono un problema;
- gli anelli convettivi costituiscono uno dei sistemi più economici per fornire calore solare;
- i collettori a termosifone possono essere separati dall'edificio per ottenere il massimo guadagno solare e possono essere facilmente integrati in edifici esistenti;
- poiché il collettore è termicamente isolato dal resto dell'edificio, le perdite di calore di quest'ultimo sono minori rispetto agli altri sistemi passivi.
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Difetti:
- è richiesta un accurata progettazione e costruzione per assicurare isolamenti e flussi dell'aria efficienti;
- l'energia termica è fornita con aria calda: è più difficile accumulare calore dall'aria che non dalla radiazione solare diretta;
- il collettore deve essere situato al di sotto dell'accumulo termico;
- un sistema sovradimensionato può dar luogo a temperature troppo alte nei climi caldi, soprattutto quando si usa un accumulo isolato;
- l'efficienza del sistema. quando usato con accumulo distaccato, è discutibile nei climi freddi e nuvolosi.
4.8.2. Il sistema Barra-Costantini
Un particolare tipo di collettore a termosifone è stato sviluppato da O. Barra e T. Costantini nel sud dell'Italia e sembra funzionare bene in quel clima. La parete sud dell'edificio contiene un collettore di materiale leggero, protetto da una superficie vetrata e isolato rispetto all'ambiente interno con uno strato di coibentazione (fig. 24). L'aria riscaldata da questo collettore, circola attraverso condotti ricavati in solai, pareti e pavimenti massivi e rilascia la sua energia a questi elementi prima di ritornare al collettore. Detti elementi sono coibentati esternamente e forniscono calore all'ambiente per convezione e irraggiamento. Le condizioni di benessere risultano migliorate da una temperatura radiante superficiale più elevata ed uniformemente distribuita.
4.8.3. Collettore a parete isolata
Il collettore a parete isolata (fig. 25) è una semplice variante del collettore a termosifone ed è particolarmente idoneo nella ristrutturazione degli edifici esistenti. Un collettore di materiale leggero con interposta superficie vetrata è disposto verticalmente sulla parete sud di un edificio ed è isolato da esso in modo da agire come un riscaldatore d'aria istantaneo. Aperture in cima e alla base del collettore permettono all'aria riscaldata di circolare liberamente attraverso l'ambiente, lasciando ad un accumulo termico, disposto all'interno o attorno alla stanza, il compito di assorbire il calore in eccesso.
Come con i muri d'accumulo isolati, una forma alternativa di questo sistema è quella a circuito aperto per fornire aria di rinnovo preriscaldata: questa variante ha tuttora un comportamento incerto.
4.8.4. Serra solare
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Descrizione:
Una serra solare addossata, o aggiunta, (fig. 26) consiste di uno spazio chiuso e vetrato disposto sul lato sud di un edificio. A seconda del clima e del tipo di utilizzo della serra solare, può esserci una parete di accumulo termico che separa la serra dall'edificio, o altri accumuli termici all'interno dello spazio solare: ciò serve per normalizzare la temperatura sia nella serra che nella casa.
Normalmente la serra non viene termoregolata, per cui non è necessario fornire calore ausiliario. In molti casi la serra è utilizzata per preriscaldare l'aria di rinnovo della casa.
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Requisiti e varianti:
Per la raccolta dell'energia solare è possibile utilizzare la serra in due differenti modi. La serra può agire come uno spazio non riscaldato a guadagno diretto, nel qual caso si possono introdurre delle masse, costituite da pareti in muratura e da pavimenti oppure acqua, e degli isolamenti mobili in modo che lo spazio possa essere visto come un'estensione economica della casa, da abitare il più a lungo possibile durante l'anno. Alternativamente è possibile utilizzare la serra come un collettore e in questo caso si dovrà insistere su superfici leggere per poter estrarre aria più calda da inviare ad un accumulo isolato, situato all'interno o sotto l'edificio da riscaldare.
Le temperature all'interno di una serra variano fortemente, per cui non sarà opportuno viverci o crescere piante se non utilizzando opportuni controlli della radiazione solare e certamente il sistema non è raccomandabile nei climi del sud Europa. Qualunque sia l'utilizzo della serra solare, è necessario che rimanga uno spazio non riscaldato se si vuole ottenere un guadagno solare senza ricorrere a sofisticati isolamenti notturni.
Una serra solare può avere una grande varietà di configurazioni geometriche come semplici aggiunte alla parete sud, oppure semiaggettanti o incassate nell'edificio (circondate sui tre lati da locali abitati), coprenti l'intera larghezza della casa e di altezza pari al semplice piano o a più piani. Anche una serra distaccata può fornire aria calda all'edificio tramite ventilatori e condotti.
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Controlli:
Il sistema di distribuzione dell'energia raccolta in una serra solare sarà determinato dal tipo di clima esterno, dall'uso dello spazio solare, come collettore o come sistema a guadagno diretto, e dal tipo di collegamento tra serra e spazio abitato.
Sono necessari degli schermi per prevenire il surriscaldamento e una certa capacità di ventilazione deve essere vista come un livello minimo indispensabile di controllo.
Degli isolamenti mobili impedirebbero perdite di calore nelle notti invernali o durante le giornate coperte, ma il rapporto efficienza-costi dovrà essere attentamente esaminato. Un minimo di riscaldamento ausiliario deve essere previsto per evitare il pericolo del gelo, quando nella serra sono presenti piante ed acqua.
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Vantaggi:
- il microclima interno di una casa viene considerevolmente migliorato con l'aggiunta di un "tampone termico" tra lo spazio abitato e l'aria esterna. Una serra può coprire l'intera facciata dell'edificio, riducendo le sue perdite di calore per trasmissione e ventilazione. Le fluttuazioni di temperatura nello spazio abitato sono inferiori rispetto ad un sistema a guadagno diretto;
- la serra può servire anche per scopi non energetici: per esempio come spazio abitabile addizionale o come serra per piante;
- la serra è facilmente adattabile agli edifici esistenti;
- la serra può essere facilmente combinata con altri sistemi passivi.
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Difetti:
- nei climi caldi ci sono problemi di surriscaldamento in estate;
- la serra può essere soggetta a forti variazioni di temperatura;
- il soffitto a vetri della serra può produrre il rapido raffreddamento notturno di qualsiasi massa termica;
- l'energia termica è fornita alla casa come aria calda: è più difficile accumulare calore dall'aria che non dalla radiazione solare diretta;
- l'aumento di umidità causato dalle piante cresciute nella serra può produrre condensa e condizioni disagevoli nella casa;
- la serra, intesa come estensione dello spazio abitato, può essere utilizzata solo per un periodo limitato durante l'anno;
- la serra può rappresentare un risparmio energetico relativamente modesto se confrontato ai suoi costi, anche se è difficile valutarne gli extracosti in quanto essa fornisce altre piacevolezze.
4.9. Sistemi di raffrescamento
Il raffrescamento non è un problema generalizzato in Europa, anche se nelle aree mediterranee le elevate temperature estive possono causare un disagio ambientale. Molte delle metodologie di raffrescamento passivo di seguito elencate sono comunque già state utilizzate nelle tecniche costruttive tradizionali locali:
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Irraggiamento verso il cielo notturno: come già descritto trattando dei tetti d'acqua, una massa termica sul tetto è esposta al cielo notturno e si raffredda per irraggiamento. Di giorno la massa fredda viene isolata sulla sua superficie esterna ed esposta all'ambiente interno per fornire un raffrescamento sia radiativi che convettivo.
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Raffreddamento evaporativo: in un ambiente caldo-secco l'aggiunta di umidità all'aria diminuisce la sua temperatura di bulbo secco, migliorando così il grado di benessere. Ciò può essere ottenuto spruzzando acqua in una corrente d'aria o disponendo specchi d'acqua o fontane in un cortile interno.
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Ventilazione indotta: il sole può essere utilizzato per indurre movimenti dell'aria; con un "camino termico" si può attivare una ventilazione naturale ed aumentare il grado di benessere.
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Edificazione interrata: la temperatura quasi costante del terreno (circa 13°C, ma dipendente dalla latitudine del luogo) durante tutto l'anno, può essere utilizzata per ridurre le perdite di calore attraverso le pareti di un edificio.
Si deve comunque fare attenzione ai problemi di umidità (27).
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Raffreddamento essicativo: nei climi caldi-umidi l'utilizzo di sali che riducono l'umidità dell'aria può migliorare il grado di benessere.
Come i sistemi di riscaldamento già discussi, anche i sistemi di raffrescamento passivo possono essere classificati nei tipi diretto, indiretto e isolato e a seconda della possibilità di disperdere l'eccesso di calore verso i seguenti tre "scarichi" alternativi: nel cielo per irraggiamento, nell'aria per convezione e nel terreno per conduzione (fig. 27).
Fig. 27. Sistemi di raffreddamento passivo.
4.10. Sistemi a collettore ad aria
4.10.1. Introduzione
L'aria, utilizzata nei sistemi solari come mezzo di trasporto del calore, offre un certo numero di vantaggi rispetto ai collettori che usano del liquido come fluido di scambio termico. In Europa i collettori piani ad aria sono poco usati, a causa delle scarse applicazioni di impianti di riscaldamento ad aria calda, almeno nel residenziale. Comunque per i grandi edifici (scuole, uffici, industria e commercio) la ventilazione meccanica è già in uso da molto tempo e in questi casi i sistemi solari che usano l'aria per il trasporto del calore sono più interessanti, in quanto esiste già un sistema di ventilazione ed il riscaldamento di tali edifici è necessario principalmente di giorno.
4.10.2. Concetti
Il concetto di un collettore ad aria è quello di far circolare dell'aria, per convezione naturale o forzata, sopra o attraverso un assorbitore della radiazione solare coperto da una superficie vetrata (fig. 28). Il guadagno termico risultante può essere impiegato in due modi: per il preriscaldamento dell'aria di rinnovo in un circuito aperto senza accumulo, oppure in un circuito chiuso che comprenda il sistema di distribuzione esistente (fig. 29). Il collegamento ad un sistema di stoccaggio, costituito nella maggioranza dei casi da un accumulo a letto di pietre, consente di ottenere più elevati fattori di utilizzo del guadagno solare di un collettore ad aria. Comunque ciò dipende molto dal clima e dal modello di utilizzo del sistema.
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Vantaggi
Confrontato con un sistema di riscaldamento convenzionale:
- risponde più velocemente se combinato con un sistema di riscaldamento ad aria diretta;
- fornisce protezione dalle condizioni climatiche esterne ed è facilmente integrabile nelle strutture dell'edificio (tetto, pareti di facciata);
- funziona come un rivestimento caldo nei periodi di basso irraggiamento solare.
Confrontato con i sistemi solari a liquido:
- facile da controllare;
- può essere integrato facilmente in sistemi di ventilazione e di riscaldamento ad aria;
- non ha problemi di gelo e di corrosione.
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Difetti
- può essere in conflitto con la richiesta di grandi aree finestrate;
- potenziali problemi di rumore prodotto dalle grandi portate d'aria;
- richiesta di maggiore energia elettrica per il funzionamento dei ventilatori;
- non si combina facilmente con i sistemi di riscaldamento ad acqua;
- i canali dell'aria sono ingombranti;
- problemi riguardanti polvere e umidità nei sistemi aperti.
4.10.3. Varianti del sistema
4.10.3.1. Preriscaldamento dell'aria di rinnovo
Sistema diretto (circuito aperto) o indiretto (circuito chiuso): l'aria utilizzata per la ventilazione dei locali è immessa attraverso un collettore solare ad aria al fine di riscaldarla ad una temperatura superiore a quella dell'ambiente esterno.
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Vantaggi:
- sistema semplice;
- facile da controllare.
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Difetti:
- attivo solo quando l'edificio è ventilato.
4.10.3.2 Riscaldamento ambiente
Sistema di riscaldamento diretto (a circuito aperto): l'aria dell'ambiente interno è riscaldata in un collettore ad aria e poi riemmessa nei locali.
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Vantaggi:
- sistema semplice;
- facile da controllare;
- reagisce velocemente.
4.10.4. Sistema di riscaldamento indiretto
Questo sistema lavora con un circuito chiuso nel quale l'aria, riscaldata da un collettore solare, riscalda a sua volta pareti e solai che poi trasmettono calore ai locali.
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Vantaggi:
- nessun movimento di aria o aria secca.
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Difetti:
- necessità di elevate portate d'aria;
- reagisce lentamente.
4.10.5. Posizionamento dei collettori
Sottotetto a collettore: il sottotetto con copertura vetrata è utilizzato come un collettore e l'aria viene distribuita mediante ventilazione forzata.
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Vantaggi:
- semplice costruzione del collettore.
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Difetti:
- richiede spazio.
4.10.6. Camino solare integrato nella parete
La differenza di densità tra aria calda e fredda viene sfruttata per la circolazione naturale attraverso il collettore.
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Vantaggi:
- sistema semplice e autocontrollato;
- non necessita di energia ausiliaria.
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Difetti:
- bassa efficienza del collettore a causa delle basse portate dell'aria.
4.10.7. Sistema con accumulo
Circuito chiuso con accumulo a scarico forzato: il locale è riscaldato da una parete o da un solaio radiante, direttamente collegati al collettore. L'eccesso di calore è utilizzato per caricare termicamente l'accumulo. Durante la notte o nelle giornate con cielo coperto, il calore può essere fornito dall'accumulo.
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Vantaggi:
- alto fattore di utilizzo dell'energia solare.
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Difetti:
- sistema addizionale per il trasporto di calore dall'accumulo all'ambiente;
In un sistema a guadagno isolato il collettore solare è termicamente isolato dagli ambienti dell'edificio. Nei sistemi passivi il trasferimento di energia dal collettore all'ambiente o all'accumulo e dall'accumulo all'ambiente avviene solo attraverso processi non meccanici, come la convezione e l'irraggiamento. Il più comune tra questi processi di trasferimento dell'energia è una forma particolare di convezione conosciuta come effetto termosifone: l'aria è riscaldata nel collettore, diventa meno densa e si alza, richiamando aria più fredda dal basso; l'aria più calda trasferisce la sua energia all'accumulo isolato o alla stanza ed ai suoi occupanti, si raffredda e ricade verso il basso per essere ripresa dal collettore, da cui il ciclo continua fintanto che il collettore rimane sufficientemente caldo. 
Il collettore a parete isolata (fig. 25) è una semplice variante del collettore a termosifone ed è particolarmente idoneo nella ristrutturazione degli edifici esistenti. Un collettore di materiale leggero con interposta superficie vetrata è disposto verticalmente sulla parete sud di un edificio ed è isolato da esso in modo da agire come un riscaldatore d'aria istantaneo. Aperture in cima e alla base del collettore permettono all'aria riscaldata di circolare liberamente attraverso l'ambiente, lasciando ad un accumulo termico, disposto all'interno o attorno alla stanza, il compito di assorbire il calore in eccesso.
Normalmente la serra non viene termoregolata, per cui non è necessario fornire calore ausiliario. In molti casi la serra è utilizzata per preriscaldare l'aria di rinnovo della casa.
