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8/12/2019 04-AT_Gli Strumenti Naturali Del Progetto - Fattori Termici, Fattori Solari_12-13 - Corso Architettura Tecnica

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Prof. Ing. Francesco Fulvi

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04-GLI STRUMENTI NATURALI DEL PROGETTO

1. FATTORI TERMICI, 2. FATTORI SOLARI

Corso diArchitettura Tecnicaa.a. 2011-2012

Universit degli Studi di Parma

Facolt di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Civile e Ambientale


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Corso di Architettura Tecnicaa.a. 2012/2013

Prof. Francesco FulviGLI STRUMENTI NATURALI DEL PROGETTO1.FATTORI TERMICI - 2. FATTORI SOLARI

Una costruzione che utilizza lenergia solare in modopassivo per assicurare il comfort tutto lanno, presupponetre principi fondamentali:

Deve potere indifferentemente, attraverso la suaconcezione, accettare o respingereDeve possedere unautonomia termica sufficiente perconservare il comfort interno, nonostante lintensit delleforze climatiche

Deve avere la capacit di conservare in se il caldo e ilfreddo

GLI STRUMENTI NATURALI DEL PROGETTO


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In generale, lapplicazione di questi principi si traduce attraverso lapresenza di pareti captanti ben adattate, con la loro superficie eposizione, per filtrare il calore naturale.Per ottenere questo, le costruzioni solari passive devono avere sia unbuon isolamento che una massa adeguata per laccumulo termico,limpiego di dispositivi mobili e variabili permette di regolare il flussoenergetico a seconda della variazione delle condizioni atmosferichedurante le quattro stagioni.

E possibile, con gli stessi materiali, creare in un luogo un edificio chenon sar mai confortevole o, al contrario che lo sar sempre. Unaconoscenza pratica degli STRUMENTI NATURALI DEL PROGETTO lachiave del successo in ARCHITETTURA SOLARE PASSIVA

E ora allavoro


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GLI STRUMENTI NATURALI DEL PROGETTO

1. FATTORI TERMICI2. FATTORI SOLARI3. DISPERSIONI4.

APPORTI5. ACCUMULO TERMICO

6. PROTEZIONE SOLARE7. VENTILAZIONE8. CLIMATIZZAZIONE


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1. FATTORI TERMICI PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA SCAMBI TERMICI CONDUZIONE CONVEZIONE IRRAGGIAMENTO SALITA E DISCESA STRATIFICAZIONE CALORE E TEMPERATURA CALORE SPECIFICO E CAPACITA CALORIFERA CONDUTTIVITA TERMICA EQUILIBRIO TERMICO DILATAZIONE E CONTRAZIONE CALORE LATENTE


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PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Lenergia non di pu ne creare ne distruggere, quando una formadenergia scompare, ne appare unaltra in quantit equivalente

LENERGIA CALORIFICA NON SCOMPAREMAI. Si pu trasformare (in parte) in unaltraforma di energia: elettrica, chimica,meccanica, o rimanere in forma di calore.E possibile anche trasformarla, accumularla,assorbirla, spostarla, catturarla, ecc.

Lenergia raccolta o prodotta negli edifici sitrover alla fine trasformata (in parte) inlavoro positivo, o finir per fuoriuscire comedispersione termica


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SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

IL CALORE SI SPOSTA SEMPRE VERSO UN CORPO FREDDO. Nei progetti solari

passivi, i movimenti di calore assorbiti o accumulati non smetteranno fin quando lamassa delledificio avr trovato il proprio equilibrio termico. Le molecole calde di unasostanza possono essere pensate come eccitate, mentre le molecole fredde sonocalme. Con vari metodi di scambio di calore, lenergia termica va sempre in cerca di

regioni pi fredde per condividere la sua eccitazione molecolare

Il calore non si pu trasmettere spontaneamente daun corpo caldo verso uno freddo, quando uno

scambio di calore si produce liberamente, sempre ilpi caldo dei corpi che perde dellenergia, e il pifreddo che la riceve


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PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

SCAMBI TERMICI

I TRE TIPI DI SCAMBI TERMICI SONO:

CONDUZIONECONVEZIONEIRRAGGIAMENTO

In generale, affinch si produca uno scambio inmaniera naturale, bisogna che uno dei duecorpi sia pi caldo (+). Secondo il 2 principiodella termodinamica, il caldo si diriger verso ilcorpo o luogo pi freddo (-). In molte occasioniquesti tipi di SCAMBIO TERMICO hanno luogo

simultaneamente.


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CONDUZIONE

E per la CONDUZIONE lungo la bacchetta che il caldo si trasmettedalla candela alla mano. Un tale scambio conduttivo ha luogo tra corpi

in contatto diretto.La CONDUCIBILITA (o conduttivit termica) di un materiale misura lapotenza del flusso di calore che lattraversa, sotto un gradiente termicocostante, uguale allunit.


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CONVEZIONE

E ATTRAVERSO la convezione, grazie aimovimenti dellaria, che lenergia calorifica sisposta dalla candela alla mano. Per laconvezione ci vuole un mezzo propagatore:un fluido intermedio come laria (un gas), olacqua (un liquido) veicolo che serve perspostare il calore da una parte allaltra.


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IRRAGGIAMENTO

E per IRRAGGIAMENTO attraverso lo spazioche lenergia calorifica passa dalla candelaalla mano. Questo trasferimento termico nonnecessita di nessun mezzo intermediario.Questa energia radiante viaggia sotto forma dionde elettromagnetiche, che si propagano inlinea retta attraverso lo spazio e i fluidi, fino ache queste non sono state assorbite da unsolido, o riflesse da una barriera riflettente,come un foglio di argento o di alluminio


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SALITA E DISCESA

Quando scaldiamo un fluido a pressione costante ladistanza tra le sue molecole aumenta. In questa

crescita di volume, o espansione senzacambiamento di massa, ogni molecola appare pileggera a causa del riscaldamento. Laria, lacqua e

molti altri fluidi si alzeranno quando sarannoscaldati, fin che non saranno mantenuti oraffreddati.Quando saranno raffreddati sicontrarranno e scenderanno fino al punto diequilibrio

La convezione termica si produce quando si scaldaun fluido. Un pannello solare con circuito chiuso,lacqua sale lungo il collettore. Questa acqua caldasi accumula nel serbatoio in alto. Lacqua

relativamente pi fresca, nel fondo, fluisce verso ilbasso del collettore per ricominciare il ciclo.Questo fenomeno di salita e discesa interviene innumerosi aspetti di un progetto solare passivo.


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STRATIFICAZIONE

Leffetto di STRATIFICAZIONE puintervenire utilmente nel funzionamentodi un progetto solare passivo, attraversola composizione degli spazi e la messain opera dellaccumulo termico. Le

diverse attivit delluomo richiedonotemperature diverse per una stessasensazione di comfort. Una persona chelegge ha bisogno di una temperatura pi

alta che una che corre.

I fluidi riscaldati che non hanno nessun circuito diflusso naturale tendono a salire e a stratificarsi in unvolume dato; il fluido pi caldo sale in cima quello pifreddo scende sul fondo, creando un gradientetermico verticale. Qualsiasi superficie od oggetto

contenuto in uno spazio sar influenzato dal flusso odalla stratificazione dellaria, accumulando pi caloreverso lalto che verso il basso. Il liquido contenuto inun recipiente si stratifica in modo analogo.


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CALORE E TEMPERATURA

Lenergia si presenta sotto sei forme fondamentali: termica, elettrica, meccanica,chimica, radiante e atomica o nucleare). In architettura passiva, ci si servecomunemente dellenergia termica (o calorifera) e dellenergia radiante (oraggiante). Lenergia luminosa radiante le forma originale sotto cui apparelenergia solare. Lenergia si misura in B.T.U. (British Thermal Units) nei paesi dilingua inglese. Misuriamo in BTU o in J il calore immagazzinato nellacqua onelle pietre.La lettera Q rappresenta tradizionalmente il calore. Il contenuto di Calore di uncorpo una grandezza quantitativa. Una quantit particolare di materia, un litrodacqua per esempio, pu immagazzinare diverse quantit di calore. Conterr

pi o meno energia calorifica. A seconda che la sua Temperatura salir oscender, questa materia conterr pi o meno energia calorifica. Se conoscetela massa, il calore specifico e la variazione di temperatura del corpo, potetedeterminare la quantit di calore immagazzinato o liberato.

freddo tiepido caldo


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CONDUTTIVITA TERMICA

La CONDUTTIVITA TERMICA di un materialemisura la portata oraria di un flusso di caloreper conduzione lunit di spessore (e) , su unaunit di superficie (A), per unit di differenza ditemperatura (delta t).

calore trasmesso, Wsuperficie, mqconduttivit termica, W/mK

spessore, mdifferenza di temperatura; (t2-t1), K

La conducibilit data data dallinterazione diretta delle molecole e deglielettroni liberi: queste particelle eccitate dal calore trasmettono, passo dopo

passo, una parte delle loro vibrazioni disordinate alle vicine calme.Un materiale che conduce bene, dotato di lambda elevato, indicato percostituire delle pareti che scambiano o accumulano calore. Un cattivoconduttore con lambda basso conviene usarlo come isolante

elevata

bassa


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EQUILIBRIO TERMICO

Tutti i dualismi: apporti/dispersioni, elevazione/caduta, dilatazione/contrazione, esprimono il fatto

che lenergia calorifica sempre alla ricerca di unostato di equilibrio. In architettura passiva, lobiettivo giustamente di equilibrare la produzione e il bisogno

di calore. Per ogni sistema, esistono dei punti diincrocio tra la raccolta e la dispersione; questi sono ipunti di equilibrio.

Lenergia si muove senza tregua alla ricerca di

equilibrio: il caldo scivola verso il freddo, le molecolescaldate si alzano, ecc. Tutto questo processo non sifermer finch ogni causa di instabilit non sarsparita. In una istallazione passiva , una volta captatae poi immagazzinata, lenergia incidente proseguir

la ricerca si una ripartizione pi stabile attraverso lamassa dello stoccaggio.


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DILATAZIONE E CONTRAZIONE

Quando il contenuto di calore aumenta inun solido, un liquido o un gas, il volumedella materia si dilata(a pressionecostante). Il coefficiente di dilatazionetermica rappresenta la dilatazione relativa

di ciascun materiale per laumento di ungrado della sua temperatura

Mentre un materiale si dilata, le

dimensioni si allungano in tutte ledirezioni. Inversamente se si raffreddail volume della materia si contrae.Questi cambiamenti di taglia sono

importanti nel funzionamento delleattrezzature solari, in particolare per levalvole azionate dal calore, che siaprono e si chiudono silenziosamenteseguendo le variazioni di temperatura


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CALORE LATENTE

Il calore sensibile lenergia calorifica che modifica la temperatura, manon lo stato di un corpo. Il CALORE LATENTE (QL) il calore necessarioper provocare un cambiamento di stato in un corpo, senza modificare la

temperatura. I materiali esistono sotto uno dei tre stati: solido, liquido ogassoso. Per certi corpi, conosciamo un solo stato, per altri possiamo

osservarne il cambiamento di fasi: cos lacqua pu trasformarsi inghiaccio o vapore. Il calore latente di fusione aggiunto al ghiaccioproduce lacqua, il calore latente di vaporizzazione aggiunto allacquaproduce vapore. Il fenomeno reversibile: il processo inverso libera ilcalore latente corrispondente a una solidificazione o una liquefazione

ghiaccio

acqua vaporeIl calore necessario al cambiamento di stato dipende anche dalla materia stessa. Nel

corso della trasformazione, la materia vede il suo volume e il suo contenuto in caloremodificarsi, con lapporto o la liberazione di calore latente. Cos una massa di vapore a100C contiene pi calore che la stessa massa dacqua a 100C. E per un volume dato, ilcalore latente o lenergia necessaria per il cambiamento di fase, ha un potenziale di

accumulo energetico ben superiore al calore sensibile dei materiali accumulatori

acqua


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2. FATTORI SOLARI

Il SOLE ANNO SOLARE ORA SOLARE GIORNATA SOLARE AZIMUT E ALTEZZA VARIAZIONE DELLALTEZZA COSTANTE SOLARE SOLEGGIAMENTO DISPONIBILE SOLEGGIAMENTO ORIENTAZIONE MASCHERE CONO DI SOLEGGIAMENTO SCARTO DELEL STAGIONI ALBEDO E RIFLESSIONE


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FATTORI SOLARI

IL SOLE

Il SOLE, la nostra stella pi vicina, unacentrale energetica spaziale alimentata da una

reazione di fusione nucleare. Con unatemperatura superficiale di circa 6000 C, sistima che il combustibile di questa reazione,

lidrogeno, durer qualche miliardo di anni. E lanostra fonte di energia disponibile, pi sicura e

la pi continua. La terra un pianeta in orbitaattorno al sole e una distanza di 150 milioni diKm. Ogni giorno il sole dispensa pi di 1000

volte lenergia mai utilizzata dal genere umano.Sul nostro pianeta, lenergia solare alloriginedellenergia disponibile e delle specie viventi: il

carbone, il legno, il gas, la geotermia, il vento, leplastiche, le uova, i fiori e le persone sono tutti

prodotti del sole.


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ANNO SOLARE

La traiettoria della terra nella sua corsa annualeintorno al sole ellittica. Nel corso di questa

rivoluzione orbitale, la terra gira su se stessa di15 allora attorno al proprio asse che passa peri poli inclinato di 2327 rispetto allasse del

movimento di traslazione annuale. Il risultatonetto di queste rivoluzioni perpetue: giorno di 24ore, anno di 12 mesi, quattro stagioni e quattoclimi. Nellemisfero nord, il sole alla massimaaltezza il 21 giugno, nel momento del solstizio

destate, e la giornata la pi lunga dellanno.

Le istallazioni solari vengono disposte inmodo tale da tenere conto della variet

dellanno solare; riscaldamento ininverno e primavera, raffrescamento inestate e autunno, fornitura di acqua

calda tutto lanno, desalinizzazionedellacqua di mare, ecc.

giugnosettembre

marzodicembre

giugno dicembremarzosett


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ORA SOLARE

Il sole, il nostro orologio cosmico, ritma le nostre stagione, i nostri anni oltre aigiorni, le ore e i minuti. Lombra di un oggetto proiettata dai raggi solari ci pu

dire se ora di svegliarsi, andare al lavoro, di seminare, e ci segnala ladirezione del Sud. Nel momento degli equinozi, lombra portata da unabastone (cadran) piantato verticalmente in terra, avr la stessa lunghezza auna data ora del giorno. Le lunghezze delle ombre vi diranno se siete ininverno, in estate o in una mezza stagione.


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GIORNO SOLARE

Dal momento che sembra che ilsole si sposti nelluniverso

seguendo le tre dimensioni,conviene rappresentare il suomovimento relativo in duedimensioni

Dato che la terra ruota al ritmo di 15allora, il sole sembra attraversare il

nostro cielo nellaltro senso alla stessavelocit angolare.

Il sole resta visibile sotto lorizzonte durante il GIORNO SOLARE checorrisponde alla corsa apparente della sua traiettoria. Vediamo il sole alsarsi

ogni giorno da un punto diverso, e salire a unaltezza ugualmente diversa.


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AZIMUT E ALTEZZA

LAZIMUT del sole langoloorizzontale che forma il piano

verticale passante per il sole e ilmeridiano del luogo. Il valore diquesto angolo varier di giornoin giorno, per una data ora,nellarco di tutto lanno solare

LALTEZZA del sole langoloverticale che formano ladirezione del sole nel cielo e ilpiano orizzontale sulla terra a

una data latitudine. Il valore massimo nei solstizi.


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Le VARIAZIONI DELLALTEZZA del sole costituiscono un aspetto importante dellaposizione di questo astro, in relazione allintensit del suo irraggiamento. Laltezzamassima varia circa di 47, cio 2 volte 2327, tra due solstizi successivi.


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COSTANTE SOLARE

Lenergia raggiante del sole raggiunge laterra attraverso il vuoto dello spazio. Lapotenza di questo flusso energetico che ci

riguarda si chiama COSTANTE SOLARE. Ilsuo valore, misurato al limite della nostra

atmosfera, di circa 1350 W/mq. Una partedi questa radiazione riflessa nello spazio,laltra parte assorbita dallatmosferaattraverso laria, la polvere, e le massenuvolose. Quando arriva sulla superficie

della terra la quantit denergia disponibilevaria da 0 a 1040 W/mqcon una mediaapprossimata di 710 W/mq che varia di orain ora da luogo a luogo, di stagione e dellecondizioni metereologiche.

A noi arr ivano radiazioni di diversalunghezza donda: raggi X, ultravioletti,

infrarossi, ecc. Ma la parte pi importantedellenergia utilizzabile si situata nello

spettro del visibile e nelle lunghezze dondarelativamente corte vicine allinfrarosso.

infrarosso

ultravioletto

Composizione dellirraggiamento solare


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SOLEGGIAMENTO DISPONIBILE

Si pu determinare, attraverso delle tabelle, la quantit di energia solare che raggiungequalsiasi superficie, con inclinazione e orientazione data. Si pu calcolare al potenza di

SOLEGGIAMENTO disponibile per collettori solari, finestre, giardini, ecc. Si trovano datitabellari o attraverso software, a partire da queste informazioni potete voi stessideterminare la taglia e la posizione dei collettori o altre superfici captanti.

N o n co n fo n d e r e u nsoleggiamento pi o menoforte con una durata di

soleggiamento pi o menolunga


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SOLEGGIAMENTO


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ORIENTAZIONE

Lorientazione in rapporto al sole in architettura passiva fondamentale, ma unaprecisione estrema non essenziale. Molti altri fattori influenzano la captazione, dato che il

tempo da un anno allaltro pu variare di una proporzione pari al 40%. Per uno scarto inrapporto al vero Sud o mezzogiorno solare di 15 verso est o ovest, il soleggiamentodecresce solo del 2%, e resta il ancora il 98% della quantit di calore che inciderebbe al

solstizio dinverno una parete esposta in pieno sud.

Ma una esposizione ortogonale airaggi solari la migliore per dei

collettori solari o una superficiecaptante. Per le istallazioni a bassatemperatura super f lua una

prec is ione asso lu ta . Quandounorientazione perfetta non possibile e il bisogno denergia restaimportante, sufficiente aumentare lasuperficie captante.

Variazioni dellazimut ed eff icacia inpercentuale sul solstizio dinverno


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MASCHERE

Loccultazione del sole durante la propria corsa apparente nel cielo, un fattore dastudiare per ogni luogo dove si costruir. Se per caso il sole effettua le totalit del propriopercorso senza essere nascosto da una MASCHERA, questo fattore allora trascurabile

salvo per quel che concerne la presenza di futura di edifici o alberi in crescita.Bisogner tenere conto di certe ombre sulla maggior parte dei siti, in particolare in inverno,

dato che le giornate sono corte e il sole resta basso nel cielo.Un insieme eccessivo di maschere pu far prendere la decisione di scartare un luogo, ospostare un elemento tecnico captante (collettore o fotovoltaico)


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CONI DI SOLEGGIAMENTO

Le ombre sono un aspettoimportante delleffetto maschera.

Possiamo tracciarla ogni mese edefinire con strumenti il conodombra di ciascun luogo.

profilo

pianta

Crescitafutura

Ombre portate dagliostacoli esistenti oprevisti


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SFASAMENTO DELLE STAGIONI

A prima vista, la geometria di una architettura solare in relazione alle coordinateangolari del sole sembra consistere in un problema molto chiaro: intercettare il

sole alto in estate di fronte alle costruzioni e far entrare in sole basso in inverno .Tuttavia, la natura complica le cose: noi dobbiamo confrontare i bisognistagionali con le disponibilit solari.Le stagioni non sono generalmente in fasecon lintensit dellirraggiamento solare; il loro ritardo in rapporto al sole didue mesi. Quasi sistematicamente, i periodi pi freddi sono in gennaio-marzo e ipi caldi in luglio-settembre.

DOMANDA DIRISCALDAMENTO

INTENSITASOLARE

Il tempo cambia da un anno allaltro, nella stessa stagione: bisogna prevederequalche flessibilit, per adattarsi allincertezza del tempo. In teoria leconsiderazioni architettoniche fissano quasi tutta la geometria solare di unacostruzione; ma una armonia pi delicata esige degli elementi mobili.

DIC MAR GIU SETT


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ALBEDO E RIFLESSIONE

LALBEDO il rapporto tra la luce riflessa e laluce ricevuta (o incidente). Questa energia con

una corta lunghezza donda (paragonandolaallirraggiamento termico terrestre) dellastessa natura della luce proveniente dal sole eprende una parte non trascurabile nel bilancioenergetico globale in molti luoghi.La luna che vediamo luce del sole riflessaper albedo. La luce riflessa dalle nuvole, la

neve, il deserto di sabbia, le montagne e ledistese dacqua possono intensificare ilmontante di energia ricevuto direttamente

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