[Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica
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ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 17
CAPITOLO 2
CENNI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA
21 Introduzione
Per architettura bioclimatica si intende quel complesso di soluzioni progettuali
che pur mirando ad assicurare condizioni di comfort termoigrometrico comfort nei
riguardi della qualitagrave dellrsquoaria comfort visivo ecc allrsquointerno degli edifici cercano di
limitare al massimo lintervento degli impianti e quindi anche i relativi consumi di
energia primaria Questo approccio affida in modo prevalente alla struttura alla
conformazione fisica delledificio al suo orientamento ed al contesto climatico in cui egrave
realizzato il compito di captare o rinviare la radiazione solare e di sfruttare il
microclima locale per ottenere il comfort ambientale
A partire dagli ultimi anni egrave stata posta una maggiore attenzione a un modo di
progettare maggiormente responsabile ldquoenergy conscious design (progettazione
energeticamente consapevole) che ha come obiettivo primario la realizzazione di edifici
che grazie alla forma allrsquoesposizione e soprattutto al tipo drsquoinvolucro edilizio
permettono di ottenere le condizioni di comfort ambientale richieste con un minimo
utilizzo di tecnologie impiantistiche
Sostituendo ad esempio una quota di combustibili fossili con risorse ambientali
rinnovabili (radiazione solare per il riscaldamento degli ambienti e per lilluminazione
naturale vento evaporazione dellacqua scambio termico con il terreno per il
raffrescamento estivo ecc) si possono ottenere importanti risultati per lrsquointera
collettivitagrave quali minore ricorso alle fonti primarie con conseguente riduzione
dellrsquoimmissione nellrsquoambiente di agenti inquinanti
Si puograve osservare che quanto piugrave viene perseguito un approccio di tipo
bioclimatico tanto piugrave assume importanza e risulta determinante una piugrave corretta
integrazione edificio-impianti Ersquo immediato osservare che per perseguire
correttamente questo approccio si richiederagrave da parte del progettista un maggiore e
non minore livello di competenza tecnica
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 18
22 Integrazione edificio - impianti
Come evidente la funzione espletata da un impianto di climatizzazione consiste
ovviamente nel climatizzare un ambiente confinato Lrsquoapproccio moderno per
conseguire una piugrave efficiente utilizzazione di possibili contributi esterni (es solari) ed
interni non puograve fare a meno di considerare gli impianti parte integrante dellrsquoedificio e
non un complemento da aggiungersi a posteriori Inoltre si rileva che al progettista
vengono contemporaneamente poste richieste di comfort sempre crescenti
Oltre al comfort termoigrometrico tradizionalmente considerato oggi assumono
crescente importanza aspetti del comfort legati alle sensazioni sonore e luminose
allrsquoigrometria e alla qualitagrave dellrsquoaria Lrsquoedificio dovragrave pertanto nella sua collocazione
forma funzioni e uso dei materiali tendere a realizzare un sistema tecnologico ldquoenergy
savingrdquo che assicuri un comfort interno il piugrave completo possibile
Lrsquoiter progettuale che invece viene normalmente seguito egrave diverso
il progettista sceglie e definisce gli spazi e gli aspetti formali dei
materiali
lrsquoimpiantista interviene ldquoa posteriorirdquo per realizzare un sistema
impiantistico che meglio si adatti alle scelte del progettista e che sia in
grado di controllare le condizioni climatiche interne
Di qui la necessitagrave di un approccio piugrave equilibrato ed articolato caratterizzato da
una maggiore attenzione giagrave in sede di progettazione architettonica verso tutte quelle
misure di controllo degli scambi energetici tese a ridurre
- sprechi ingiustificati di energia primaria
- processi di omologazione dei modelli architettonici che spesso travolgono il
patrimonio di conoscenza elaborato (spesso localmente) nel corso dei secoli
Lrsquoapproccio bioclimatico (piugrave o meno spinto) prevede quindi unrsquoattenzione
verso tutto ciograve che consente di usufruire almeno in parte delle ldquoforze della naturardquo per
realizzare edifici che in relazione alle condizioni climatiche esterne siano in grado di
ridurre gli stress climatici esterni ed utilizzare le risorse naturali utili al raggiungimento
delle condizioni di comfort Presupposto di questo approccio egrave una piugrave approfondita
conoscenza del regime climatico locale ove saragrave costruito lrsquoedificio per sfruttare
potenziali apporti energetici gratuiti e per sia per dimensionare in modo conseguente gli
impianti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 19
Si precisa che il dimensionamento di un impianto di climatizzazione dipende da
- condizioni climatiche esterne (te ie radiazione solare velocitagrave del vento ecc)
- struttura dellrsquoedificio caratteristiche fisiche e dimensionali delle strutture
(soprattutto drsquoinvolucro)
- forma ed orientazione
- funzione svolta dallrsquoedificio
23 Esempi di possibili approcci
bull Come evidenziato in figura una finestra orientata a Sud
fornita di aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non lascia passare i
raggi (piugrave meno inclinati) durante lrsquoestate
bull Orientare opportunamente un edificio al fine di utilizzare
correnti drsquoaria (ad esempio Nord ndash Sud oppure le brezze
marine che spirano normalmente al litorale) consente di
ventilare efficacemente durante la notte e quindi di
abbassare la temperatura media interna anche in assenza di impianti di
condizionamento
bull Il colore bianco dei muri riflette di giorno la radiazione solare e smaltisce
egualmente di notte come radiazione infrarossa il calore accumulato durante le ore
diurne
bull Gli edifici (v figura a lato) possono essere corredati di verande a serra o dispositivi
simili che consentono unrsquoefficace
cattura della radiazione solare
invernale e una volta aperte e
ventilate possono agire da schermo
estivo (grazie alla presenza degli
aggetti) In questo caso la struttura
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 20
dellrsquoedificio funziona da accumulatore termico invernale
bull Messa in opera di elevati isolamenti termici dellrsquoinvolucro edilizio per evidenziare i
contributi energetici gratuiti rispetto a quelli forniti dallrsquoimpianto di riscaldamento
Come si vedragrave piugrave approfonditamente nel capitolo riguardante gli impianti di
riscaldamento una particolare attenzione allrsquoisolamento termico degli edifici risulta
di fatto imposta anche dai provvedimenti legislativi aventi lo scopo di contenere i
consumi di energia primaria negli edifici A titolo di esempio la seguente figura
riporta lrsquoandamento crescente dello spessore di materiale isolante mediamente
messo in opera in alcuni paesi europei a partire dal 1962
bull Interventi sulle superfici opache e trasparenti dellrsquoinvolucro edilizio al fine di
contenere i carichi termici trasmessi allrsquointerno nel regime estivo Anche se tale
argomento verragrave ripreso e brevemente discusso quando si accenneragrave al
dimensionamento degli impianti di condizionamento si puograve osservare come il
contenimento dei carichi termici trasmessi attraverso superfici trasparenti possa
essere in parte realizzato attraverso la messa in opera di superfici trasparenti speciali
come ad esempio vetri il piugrave possibile trasparenti nel visibile e riflettenti invece nel
vicino infrarosso (per eliminare la parte infrarossa della radiazione solare senza
ridurre apprezzabilmente la luce trasmessa) vetri con fattore di trasmissione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 21
variabile sensibili allrsquoentitagrave della luce incidente (fotocromici) vetri sensibili al
calore (termocromici) o in modo attivo sensibili alla presenza di campi elettrici
imposti (elettrocromici) Per quanto riguarda la parte opaca dellrsquoinvolucro si puograve
agire sulle loro caratteristiche (scelta e dimensionamento di pareti multistrato per
ridurre i carichi trasmessi) oppure si puograve fare riferimento alla messa in opera di
pareti e coperture ventilate per ridurre gli apporti energetici estivi trasmessi
attraverso le pareti perimetrali In questi casi come illustrato nella figura uno strato
di rivestimento esterno egrave fissato alla struttura portante e da questa opportunamente
distanziato (10-15 cm) al fine di realizzare unrsquointercapedine aperta sullrsquoambiente
esterno attraverso la quale lrsquoaria possa fluire per convezione naturale o in certi casi
anche forzata
bull Illuminazione naturale diurna di un edificio sfruttando sia la luce solare diretta sia
quella diffusa dalla volta celeste per favorire la penetrazione della luce naturale
allinterno degli edifici riducendo i consumi elettrici (pregiati) per lrsquoilluminazione
artificiale
24 Cenni sui sistemi solari passivi ed attivi
In un edificio possono essere introdotti elementi strutturali per captare lenergia
solare in modo passivo cioegrave tramite componenti drsquoinvolucro o attivo con
componenti impiantistici
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 22
Sistemi solari passivi
Nella gestione di un edificio o di unabitazione le strategie solari passive con diverse
varianti possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere due obiettivi
principali
- riscaldamento soprattutto nei climi freddi attraverso laccumulo la distribuzione e
la conservazione dellenergia termica solare Al fine di raggiungere questo scopo le
principali tecniche passive prevedono limpiego di muri termoaccumulatori di un ottimo
isolamento di una notevole massa termica di sistemi di preriscaldamento dellaria di
superfici vetrate esposte a Sud di vere e proprie serre addossate alledificio ed altri
accorgimenti ancora
- raffrescamento naturale grazie alla ventilazione naturale alla schermatura e
allespulsione del calore indesiderato verso lrsquoesterno Le principali tecniche impiegate in
questo caso prevedono soprattutto lutilizzo di condotte daria interrate di camini solari
di una buona massa termica della ventilazione indotta di protezioni dallirraggiamento
diretto e di sistemi per la deumidificazione o per levaporazione dellacqua
Riscaldamento solare passivo
Nella stagione fredda lenergia solare puograve dare un contributo significativo al fabbisogno
energetico degli edifici Nella seguente figura si riportano alcuni sistemi solari passivi
che possono essere classificati in tre categorie
- a guadagno diretto (lo scambio termico prevalente egrave di tipo radiativo diretto)
- a guadagno indiretto(lo scambio termico prevalente egrave di tipo convettivo quello
radiativo egrave indiretto attraverso la parete di accumulo)
- ad incremento isolato (lo scambio egrave di tipo radiativo indiretto attraverso una
massa che accumula anche per scambio convettivo ma senza passaggio drsquoaria
in ambiente)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 23
Il sistema a guadagno diretto quello piugrave comune si realizza mediante ampie
vetrate esposte a sud aperte direttamente sullambiente interno che dispone di
sufficienti masse di accumulo
termico
Come giagrave accennato una
finestra orientata a Sud fornita di
aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non
lascia passare i raggi (meno inclinati)
durante lrsquoestate
I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da
- muro termico
- muro Trombe
- serra
Nel muro termico laccumulo egrave determinato da una parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni
termiche Il calore captato viene trasmesso per conduzione con un certo ritardo
attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento) allambiente
internoGli elementi di accumulo a calore sensibile comunemente adottati sono
costituiti da pareti eo solai aventi una adeguata capacitagrave termica
Talvolta il muro termico egrave rappresentato da un muro drsquoacqua costituito da
bidoni o barili che racchiudono acqua Il ricorso a questo sistema egrave giustificato dal fatto
che la capacitagrave termica dellrsquoacqua egrave superiore a quella dei materiali murari per cui a
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 18
22 Integrazione edificio - impianti
Come evidente la funzione espletata da un impianto di climatizzazione consiste
ovviamente nel climatizzare un ambiente confinato Lrsquoapproccio moderno per
conseguire una piugrave efficiente utilizzazione di possibili contributi esterni (es solari) ed
interni non puograve fare a meno di considerare gli impianti parte integrante dellrsquoedificio e
non un complemento da aggiungersi a posteriori Inoltre si rileva che al progettista
vengono contemporaneamente poste richieste di comfort sempre crescenti
Oltre al comfort termoigrometrico tradizionalmente considerato oggi assumono
crescente importanza aspetti del comfort legati alle sensazioni sonore e luminose
allrsquoigrometria e alla qualitagrave dellrsquoaria Lrsquoedificio dovragrave pertanto nella sua collocazione
forma funzioni e uso dei materiali tendere a realizzare un sistema tecnologico ldquoenergy
savingrdquo che assicuri un comfort interno il piugrave completo possibile
Lrsquoiter progettuale che invece viene normalmente seguito egrave diverso
il progettista sceglie e definisce gli spazi e gli aspetti formali dei
materiali
lrsquoimpiantista interviene ldquoa posteriorirdquo per realizzare un sistema
impiantistico che meglio si adatti alle scelte del progettista e che sia in
grado di controllare le condizioni climatiche interne
Di qui la necessitagrave di un approccio piugrave equilibrato ed articolato caratterizzato da
una maggiore attenzione giagrave in sede di progettazione architettonica verso tutte quelle
misure di controllo degli scambi energetici tese a ridurre
- sprechi ingiustificati di energia primaria
- processi di omologazione dei modelli architettonici che spesso travolgono il
patrimonio di conoscenza elaborato (spesso localmente) nel corso dei secoli
Lrsquoapproccio bioclimatico (piugrave o meno spinto) prevede quindi unrsquoattenzione
verso tutto ciograve che consente di usufruire almeno in parte delle ldquoforze della naturardquo per
realizzare edifici che in relazione alle condizioni climatiche esterne siano in grado di
ridurre gli stress climatici esterni ed utilizzare le risorse naturali utili al raggiungimento
delle condizioni di comfort Presupposto di questo approccio egrave una piugrave approfondita
conoscenza del regime climatico locale ove saragrave costruito lrsquoedificio per sfruttare
potenziali apporti energetici gratuiti e per sia per dimensionare in modo conseguente gli
impianti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 19
Si precisa che il dimensionamento di un impianto di climatizzazione dipende da
- condizioni climatiche esterne (te ie radiazione solare velocitagrave del vento ecc)
- struttura dellrsquoedificio caratteristiche fisiche e dimensionali delle strutture
(soprattutto drsquoinvolucro)
- forma ed orientazione
- funzione svolta dallrsquoedificio
23 Esempi di possibili approcci
bull Come evidenziato in figura una finestra orientata a Sud
fornita di aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non lascia passare i
raggi (piugrave meno inclinati) durante lrsquoestate
bull Orientare opportunamente un edificio al fine di utilizzare
correnti drsquoaria (ad esempio Nord ndash Sud oppure le brezze
marine che spirano normalmente al litorale) consente di
ventilare efficacemente durante la notte e quindi di
abbassare la temperatura media interna anche in assenza di impianti di
condizionamento
bull Il colore bianco dei muri riflette di giorno la radiazione solare e smaltisce
egualmente di notte come radiazione infrarossa il calore accumulato durante le ore
diurne
bull Gli edifici (v figura a lato) possono essere corredati di verande a serra o dispositivi
simili che consentono unrsquoefficace
cattura della radiazione solare
invernale e una volta aperte e
ventilate possono agire da schermo
estivo (grazie alla presenza degli
aggetti) In questo caso la struttura
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 20
dellrsquoedificio funziona da accumulatore termico invernale
bull Messa in opera di elevati isolamenti termici dellrsquoinvolucro edilizio per evidenziare i
contributi energetici gratuiti rispetto a quelli forniti dallrsquoimpianto di riscaldamento
Come si vedragrave piugrave approfonditamente nel capitolo riguardante gli impianti di
riscaldamento una particolare attenzione allrsquoisolamento termico degli edifici risulta
di fatto imposta anche dai provvedimenti legislativi aventi lo scopo di contenere i
consumi di energia primaria negli edifici A titolo di esempio la seguente figura
riporta lrsquoandamento crescente dello spessore di materiale isolante mediamente
messo in opera in alcuni paesi europei a partire dal 1962
bull Interventi sulle superfici opache e trasparenti dellrsquoinvolucro edilizio al fine di
contenere i carichi termici trasmessi allrsquointerno nel regime estivo Anche se tale
argomento verragrave ripreso e brevemente discusso quando si accenneragrave al
dimensionamento degli impianti di condizionamento si puograve osservare come il
contenimento dei carichi termici trasmessi attraverso superfici trasparenti possa
essere in parte realizzato attraverso la messa in opera di superfici trasparenti speciali
come ad esempio vetri il piugrave possibile trasparenti nel visibile e riflettenti invece nel
vicino infrarosso (per eliminare la parte infrarossa della radiazione solare senza
ridurre apprezzabilmente la luce trasmessa) vetri con fattore di trasmissione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 21
variabile sensibili allrsquoentitagrave della luce incidente (fotocromici) vetri sensibili al
calore (termocromici) o in modo attivo sensibili alla presenza di campi elettrici
imposti (elettrocromici) Per quanto riguarda la parte opaca dellrsquoinvolucro si puograve
agire sulle loro caratteristiche (scelta e dimensionamento di pareti multistrato per
ridurre i carichi trasmessi) oppure si puograve fare riferimento alla messa in opera di
pareti e coperture ventilate per ridurre gli apporti energetici estivi trasmessi
attraverso le pareti perimetrali In questi casi come illustrato nella figura uno strato
di rivestimento esterno egrave fissato alla struttura portante e da questa opportunamente
distanziato (10-15 cm) al fine di realizzare unrsquointercapedine aperta sullrsquoambiente
esterno attraverso la quale lrsquoaria possa fluire per convezione naturale o in certi casi
anche forzata
bull Illuminazione naturale diurna di un edificio sfruttando sia la luce solare diretta sia
quella diffusa dalla volta celeste per favorire la penetrazione della luce naturale
allinterno degli edifici riducendo i consumi elettrici (pregiati) per lrsquoilluminazione
artificiale
24 Cenni sui sistemi solari passivi ed attivi
In un edificio possono essere introdotti elementi strutturali per captare lenergia
solare in modo passivo cioegrave tramite componenti drsquoinvolucro o attivo con
componenti impiantistici
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 22
Sistemi solari passivi
Nella gestione di un edificio o di unabitazione le strategie solari passive con diverse
varianti possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere due obiettivi
principali
- riscaldamento soprattutto nei climi freddi attraverso laccumulo la distribuzione e
la conservazione dellenergia termica solare Al fine di raggiungere questo scopo le
principali tecniche passive prevedono limpiego di muri termoaccumulatori di un ottimo
isolamento di una notevole massa termica di sistemi di preriscaldamento dellaria di
superfici vetrate esposte a Sud di vere e proprie serre addossate alledificio ed altri
accorgimenti ancora
- raffrescamento naturale grazie alla ventilazione naturale alla schermatura e
allespulsione del calore indesiderato verso lrsquoesterno Le principali tecniche impiegate in
questo caso prevedono soprattutto lutilizzo di condotte daria interrate di camini solari
di una buona massa termica della ventilazione indotta di protezioni dallirraggiamento
diretto e di sistemi per la deumidificazione o per levaporazione dellacqua
Riscaldamento solare passivo
Nella stagione fredda lenergia solare puograve dare un contributo significativo al fabbisogno
energetico degli edifici Nella seguente figura si riportano alcuni sistemi solari passivi
che possono essere classificati in tre categorie
- a guadagno diretto (lo scambio termico prevalente egrave di tipo radiativo diretto)
- a guadagno indiretto(lo scambio termico prevalente egrave di tipo convettivo quello
radiativo egrave indiretto attraverso la parete di accumulo)
- ad incremento isolato (lo scambio egrave di tipo radiativo indiretto attraverso una
massa che accumula anche per scambio convettivo ma senza passaggio drsquoaria
in ambiente)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 23
Il sistema a guadagno diretto quello piugrave comune si realizza mediante ampie
vetrate esposte a sud aperte direttamente sullambiente interno che dispone di
sufficienti masse di accumulo
termico
Come giagrave accennato una
finestra orientata a Sud fornita di
aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non
lascia passare i raggi (meno inclinati)
durante lrsquoestate
I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da
- muro termico
- muro Trombe
- serra
Nel muro termico laccumulo egrave determinato da una parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni
termiche Il calore captato viene trasmesso per conduzione con un certo ritardo
attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento) allambiente
internoGli elementi di accumulo a calore sensibile comunemente adottati sono
costituiti da pareti eo solai aventi una adeguata capacitagrave termica
Talvolta il muro termico egrave rappresentato da un muro drsquoacqua costituito da
bidoni o barili che racchiudono acqua Il ricorso a questo sistema egrave giustificato dal fatto
che la capacitagrave termica dellrsquoacqua egrave superiore a quella dei materiali murari per cui a
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 19
Si precisa che il dimensionamento di un impianto di climatizzazione dipende da
- condizioni climatiche esterne (te ie radiazione solare velocitagrave del vento ecc)
- struttura dellrsquoedificio caratteristiche fisiche e dimensionali delle strutture
(soprattutto drsquoinvolucro)
- forma ed orientazione
- funzione svolta dallrsquoedificio
23 Esempi di possibili approcci
bull Come evidenziato in figura una finestra orientata a Sud
fornita di aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non lascia passare i
raggi (piugrave meno inclinati) durante lrsquoestate
bull Orientare opportunamente un edificio al fine di utilizzare
correnti drsquoaria (ad esempio Nord ndash Sud oppure le brezze
marine che spirano normalmente al litorale) consente di
ventilare efficacemente durante la notte e quindi di
abbassare la temperatura media interna anche in assenza di impianti di
condizionamento
bull Il colore bianco dei muri riflette di giorno la radiazione solare e smaltisce
egualmente di notte come radiazione infrarossa il calore accumulato durante le ore
diurne
bull Gli edifici (v figura a lato) possono essere corredati di verande a serra o dispositivi
simili che consentono unrsquoefficace
cattura della radiazione solare
invernale e una volta aperte e
ventilate possono agire da schermo
estivo (grazie alla presenza degli
aggetti) In questo caso la struttura
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 20
dellrsquoedificio funziona da accumulatore termico invernale
bull Messa in opera di elevati isolamenti termici dellrsquoinvolucro edilizio per evidenziare i
contributi energetici gratuiti rispetto a quelli forniti dallrsquoimpianto di riscaldamento
Come si vedragrave piugrave approfonditamente nel capitolo riguardante gli impianti di
riscaldamento una particolare attenzione allrsquoisolamento termico degli edifici risulta
di fatto imposta anche dai provvedimenti legislativi aventi lo scopo di contenere i
consumi di energia primaria negli edifici A titolo di esempio la seguente figura
riporta lrsquoandamento crescente dello spessore di materiale isolante mediamente
messo in opera in alcuni paesi europei a partire dal 1962
bull Interventi sulle superfici opache e trasparenti dellrsquoinvolucro edilizio al fine di
contenere i carichi termici trasmessi allrsquointerno nel regime estivo Anche se tale
argomento verragrave ripreso e brevemente discusso quando si accenneragrave al
dimensionamento degli impianti di condizionamento si puograve osservare come il
contenimento dei carichi termici trasmessi attraverso superfici trasparenti possa
essere in parte realizzato attraverso la messa in opera di superfici trasparenti speciali
come ad esempio vetri il piugrave possibile trasparenti nel visibile e riflettenti invece nel
vicino infrarosso (per eliminare la parte infrarossa della radiazione solare senza
ridurre apprezzabilmente la luce trasmessa) vetri con fattore di trasmissione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 21
variabile sensibili allrsquoentitagrave della luce incidente (fotocromici) vetri sensibili al
calore (termocromici) o in modo attivo sensibili alla presenza di campi elettrici
imposti (elettrocromici) Per quanto riguarda la parte opaca dellrsquoinvolucro si puograve
agire sulle loro caratteristiche (scelta e dimensionamento di pareti multistrato per
ridurre i carichi trasmessi) oppure si puograve fare riferimento alla messa in opera di
pareti e coperture ventilate per ridurre gli apporti energetici estivi trasmessi
attraverso le pareti perimetrali In questi casi come illustrato nella figura uno strato
di rivestimento esterno egrave fissato alla struttura portante e da questa opportunamente
distanziato (10-15 cm) al fine di realizzare unrsquointercapedine aperta sullrsquoambiente
esterno attraverso la quale lrsquoaria possa fluire per convezione naturale o in certi casi
anche forzata
bull Illuminazione naturale diurna di un edificio sfruttando sia la luce solare diretta sia
quella diffusa dalla volta celeste per favorire la penetrazione della luce naturale
allinterno degli edifici riducendo i consumi elettrici (pregiati) per lrsquoilluminazione
artificiale
24 Cenni sui sistemi solari passivi ed attivi
In un edificio possono essere introdotti elementi strutturali per captare lenergia
solare in modo passivo cioegrave tramite componenti drsquoinvolucro o attivo con
componenti impiantistici
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 22
Sistemi solari passivi
Nella gestione di un edificio o di unabitazione le strategie solari passive con diverse
varianti possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere due obiettivi
principali
- riscaldamento soprattutto nei climi freddi attraverso laccumulo la distribuzione e
la conservazione dellenergia termica solare Al fine di raggiungere questo scopo le
principali tecniche passive prevedono limpiego di muri termoaccumulatori di un ottimo
isolamento di una notevole massa termica di sistemi di preriscaldamento dellaria di
superfici vetrate esposte a Sud di vere e proprie serre addossate alledificio ed altri
accorgimenti ancora
- raffrescamento naturale grazie alla ventilazione naturale alla schermatura e
allespulsione del calore indesiderato verso lrsquoesterno Le principali tecniche impiegate in
questo caso prevedono soprattutto lutilizzo di condotte daria interrate di camini solari
di una buona massa termica della ventilazione indotta di protezioni dallirraggiamento
diretto e di sistemi per la deumidificazione o per levaporazione dellacqua
Riscaldamento solare passivo
Nella stagione fredda lenergia solare puograve dare un contributo significativo al fabbisogno
energetico degli edifici Nella seguente figura si riportano alcuni sistemi solari passivi
che possono essere classificati in tre categorie
- a guadagno diretto (lo scambio termico prevalente egrave di tipo radiativo diretto)
- a guadagno indiretto(lo scambio termico prevalente egrave di tipo convettivo quello
radiativo egrave indiretto attraverso la parete di accumulo)
- ad incremento isolato (lo scambio egrave di tipo radiativo indiretto attraverso una
massa che accumula anche per scambio convettivo ma senza passaggio drsquoaria
in ambiente)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 23
Il sistema a guadagno diretto quello piugrave comune si realizza mediante ampie
vetrate esposte a sud aperte direttamente sullambiente interno che dispone di
sufficienti masse di accumulo
termico
Come giagrave accennato una
finestra orientata a Sud fornita di
aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non
lascia passare i raggi (meno inclinati)
durante lrsquoestate
I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da
- muro termico
- muro Trombe
- serra
Nel muro termico laccumulo egrave determinato da una parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni
termiche Il calore captato viene trasmesso per conduzione con un certo ritardo
attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento) allambiente
internoGli elementi di accumulo a calore sensibile comunemente adottati sono
costituiti da pareti eo solai aventi una adeguata capacitagrave termica
Talvolta il muro termico egrave rappresentato da un muro drsquoacqua costituito da
bidoni o barili che racchiudono acqua Il ricorso a questo sistema egrave giustificato dal fatto
che la capacitagrave termica dellrsquoacqua egrave superiore a quella dei materiali murari per cui a
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 20
dellrsquoedificio funziona da accumulatore termico invernale
bull Messa in opera di elevati isolamenti termici dellrsquoinvolucro edilizio per evidenziare i
contributi energetici gratuiti rispetto a quelli forniti dallrsquoimpianto di riscaldamento
Come si vedragrave piugrave approfonditamente nel capitolo riguardante gli impianti di
riscaldamento una particolare attenzione allrsquoisolamento termico degli edifici risulta
di fatto imposta anche dai provvedimenti legislativi aventi lo scopo di contenere i
consumi di energia primaria negli edifici A titolo di esempio la seguente figura
riporta lrsquoandamento crescente dello spessore di materiale isolante mediamente
messo in opera in alcuni paesi europei a partire dal 1962
bull Interventi sulle superfici opache e trasparenti dellrsquoinvolucro edilizio al fine di
contenere i carichi termici trasmessi allrsquointerno nel regime estivo Anche se tale
argomento verragrave ripreso e brevemente discusso quando si accenneragrave al
dimensionamento degli impianti di condizionamento si puograve osservare come il
contenimento dei carichi termici trasmessi attraverso superfici trasparenti possa
essere in parte realizzato attraverso la messa in opera di superfici trasparenti speciali
come ad esempio vetri il piugrave possibile trasparenti nel visibile e riflettenti invece nel
vicino infrarosso (per eliminare la parte infrarossa della radiazione solare senza
ridurre apprezzabilmente la luce trasmessa) vetri con fattore di trasmissione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 21
variabile sensibili allrsquoentitagrave della luce incidente (fotocromici) vetri sensibili al
calore (termocromici) o in modo attivo sensibili alla presenza di campi elettrici
imposti (elettrocromici) Per quanto riguarda la parte opaca dellrsquoinvolucro si puograve
agire sulle loro caratteristiche (scelta e dimensionamento di pareti multistrato per
ridurre i carichi trasmessi) oppure si puograve fare riferimento alla messa in opera di
pareti e coperture ventilate per ridurre gli apporti energetici estivi trasmessi
attraverso le pareti perimetrali In questi casi come illustrato nella figura uno strato
di rivestimento esterno egrave fissato alla struttura portante e da questa opportunamente
distanziato (10-15 cm) al fine di realizzare unrsquointercapedine aperta sullrsquoambiente
esterno attraverso la quale lrsquoaria possa fluire per convezione naturale o in certi casi
anche forzata
bull Illuminazione naturale diurna di un edificio sfruttando sia la luce solare diretta sia
quella diffusa dalla volta celeste per favorire la penetrazione della luce naturale
allinterno degli edifici riducendo i consumi elettrici (pregiati) per lrsquoilluminazione
artificiale
24 Cenni sui sistemi solari passivi ed attivi
In un edificio possono essere introdotti elementi strutturali per captare lenergia
solare in modo passivo cioegrave tramite componenti drsquoinvolucro o attivo con
componenti impiantistici
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 22
Sistemi solari passivi
Nella gestione di un edificio o di unabitazione le strategie solari passive con diverse
varianti possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere due obiettivi
principali
- riscaldamento soprattutto nei climi freddi attraverso laccumulo la distribuzione e
la conservazione dellenergia termica solare Al fine di raggiungere questo scopo le
principali tecniche passive prevedono limpiego di muri termoaccumulatori di un ottimo
isolamento di una notevole massa termica di sistemi di preriscaldamento dellaria di
superfici vetrate esposte a Sud di vere e proprie serre addossate alledificio ed altri
accorgimenti ancora
- raffrescamento naturale grazie alla ventilazione naturale alla schermatura e
allespulsione del calore indesiderato verso lrsquoesterno Le principali tecniche impiegate in
questo caso prevedono soprattutto lutilizzo di condotte daria interrate di camini solari
di una buona massa termica della ventilazione indotta di protezioni dallirraggiamento
diretto e di sistemi per la deumidificazione o per levaporazione dellacqua
Riscaldamento solare passivo
Nella stagione fredda lenergia solare puograve dare un contributo significativo al fabbisogno
energetico degli edifici Nella seguente figura si riportano alcuni sistemi solari passivi
che possono essere classificati in tre categorie
- a guadagno diretto (lo scambio termico prevalente egrave di tipo radiativo diretto)
- a guadagno indiretto(lo scambio termico prevalente egrave di tipo convettivo quello
radiativo egrave indiretto attraverso la parete di accumulo)
- ad incremento isolato (lo scambio egrave di tipo radiativo indiretto attraverso una
massa che accumula anche per scambio convettivo ma senza passaggio drsquoaria
in ambiente)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 23
Il sistema a guadagno diretto quello piugrave comune si realizza mediante ampie
vetrate esposte a sud aperte direttamente sullambiente interno che dispone di
sufficienti masse di accumulo
termico
Come giagrave accennato una
finestra orientata a Sud fornita di
aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non
lascia passare i raggi (meno inclinati)
durante lrsquoestate
I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da
- muro termico
- muro Trombe
- serra
Nel muro termico laccumulo egrave determinato da una parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni
termiche Il calore captato viene trasmesso per conduzione con un certo ritardo
attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento) allambiente
internoGli elementi di accumulo a calore sensibile comunemente adottati sono
costituiti da pareti eo solai aventi una adeguata capacitagrave termica
Talvolta il muro termico egrave rappresentato da un muro drsquoacqua costituito da
bidoni o barili che racchiudono acqua Il ricorso a questo sistema egrave giustificato dal fatto
che la capacitagrave termica dellrsquoacqua egrave superiore a quella dei materiali murari per cui a
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 21
variabile sensibili allrsquoentitagrave della luce incidente (fotocromici) vetri sensibili al
calore (termocromici) o in modo attivo sensibili alla presenza di campi elettrici
imposti (elettrocromici) Per quanto riguarda la parte opaca dellrsquoinvolucro si puograve
agire sulle loro caratteristiche (scelta e dimensionamento di pareti multistrato per
ridurre i carichi trasmessi) oppure si puograve fare riferimento alla messa in opera di
pareti e coperture ventilate per ridurre gli apporti energetici estivi trasmessi
attraverso le pareti perimetrali In questi casi come illustrato nella figura uno strato
di rivestimento esterno egrave fissato alla struttura portante e da questa opportunamente
distanziato (10-15 cm) al fine di realizzare unrsquointercapedine aperta sullrsquoambiente
esterno attraverso la quale lrsquoaria possa fluire per convezione naturale o in certi casi
anche forzata
bull Illuminazione naturale diurna di un edificio sfruttando sia la luce solare diretta sia
quella diffusa dalla volta celeste per favorire la penetrazione della luce naturale
allinterno degli edifici riducendo i consumi elettrici (pregiati) per lrsquoilluminazione
artificiale
24 Cenni sui sistemi solari passivi ed attivi
In un edificio possono essere introdotti elementi strutturali per captare lenergia
solare in modo passivo cioegrave tramite componenti drsquoinvolucro o attivo con
componenti impiantistici
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 22
Sistemi solari passivi
Nella gestione di un edificio o di unabitazione le strategie solari passive con diverse
varianti possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere due obiettivi
principali
- riscaldamento soprattutto nei climi freddi attraverso laccumulo la distribuzione e
la conservazione dellenergia termica solare Al fine di raggiungere questo scopo le
principali tecniche passive prevedono limpiego di muri termoaccumulatori di un ottimo
isolamento di una notevole massa termica di sistemi di preriscaldamento dellaria di
superfici vetrate esposte a Sud di vere e proprie serre addossate alledificio ed altri
accorgimenti ancora
- raffrescamento naturale grazie alla ventilazione naturale alla schermatura e
allespulsione del calore indesiderato verso lrsquoesterno Le principali tecniche impiegate in
questo caso prevedono soprattutto lutilizzo di condotte daria interrate di camini solari
di una buona massa termica della ventilazione indotta di protezioni dallirraggiamento
diretto e di sistemi per la deumidificazione o per levaporazione dellacqua
Riscaldamento solare passivo
Nella stagione fredda lenergia solare puograve dare un contributo significativo al fabbisogno
energetico degli edifici Nella seguente figura si riportano alcuni sistemi solari passivi
che possono essere classificati in tre categorie
- a guadagno diretto (lo scambio termico prevalente egrave di tipo radiativo diretto)
- a guadagno indiretto(lo scambio termico prevalente egrave di tipo convettivo quello
radiativo egrave indiretto attraverso la parete di accumulo)
- ad incremento isolato (lo scambio egrave di tipo radiativo indiretto attraverso una
massa che accumula anche per scambio convettivo ma senza passaggio drsquoaria
in ambiente)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 23
Il sistema a guadagno diretto quello piugrave comune si realizza mediante ampie
vetrate esposte a sud aperte direttamente sullambiente interno che dispone di
sufficienti masse di accumulo
termico
Come giagrave accennato una
finestra orientata a Sud fornita di
aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non
lascia passare i raggi (meno inclinati)
durante lrsquoestate
I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da
- muro termico
- muro Trombe
- serra
Nel muro termico laccumulo egrave determinato da una parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni
termiche Il calore captato viene trasmesso per conduzione con un certo ritardo
attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento) allambiente
internoGli elementi di accumulo a calore sensibile comunemente adottati sono
costituiti da pareti eo solai aventi una adeguata capacitagrave termica
Talvolta il muro termico egrave rappresentato da un muro drsquoacqua costituito da
bidoni o barili che racchiudono acqua Il ricorso a questo sistema egrave giustificato dal fatto
che la capacitagrave termica dellrsquoacqua egrave superiore a quella dei materiali murari per cui a
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 22
Sistemi solari passivi
Nella gestione di un edificio o di unabitazione le strategie solari passive con diverse
varianti possono essere sostanzialmente impiegate per raggiungere due obiettivi
principali
- riscaldamento soprattutto nei climi freddi attraverso laccumulo la distribuzione e
la conservazione dellenergia termica solare Al fine di raggiungere questo scopo le
principali tecniche passive prevedono limpiego di muri termoaccumulatori di un ottimo
isolamento di una notevole massa termica di sistemi di preriscaldamento dellaria di
superfici vetrate esposte a Sud di vere e proprie serre addossate alledificio ed altri
accorgimenti ancora
- raffrescamento naturale grazie alla ventilazione naturale alla schermatura e
allespulsione del calore indesiderato verso lrsquoesterno Le principali tecniche impiegate in
questo caso prevedono soprattutto lutilizzo di condotte daria interrate di camini solari
di una buona massa termica della ventilazione indotta di protezioni dallirraggiamento
diretto e di sistemi per la deumidificazione o per levaporazione dellacqua
Riscaldamento solare passivo
Nella stagione fredda lenergia solare puograve dare un contributo significativo al fabbisogno
energetico degli edifici Nella seguente figura si riportano alcuni sistemi solari passivi
che possono essere classificati in tre categorie
- a guadagno diretto (lo scambio termico prevalente egrave di tipo radiativo diretto)
- a guadagno indiretto(lo scambio termico prevalente egrave di tipo convettivo quello
radiativo egrave indiretto attraverso la parete di accumulo)
- ad incremento isolato (lo scambio egrave di tipo radiativo indiretto attraverso una
massa che accumula anche per scambio convettivo ma senza passaggio drsquoaria
in ambiente)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 23
Il sistema a guadagno diretto quello piugrave comune si realizza mediante ampie
vetrate esposte a sud aperte direttamente sullambiente interno che dispone di
sufficienti masse di accumulo
termico
Come giagrave accennato una
finestra orientata a Sud fornita di
aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non
lascia passare i raggi (meno inclinati)
durante lrsquoestate
I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da
- muro termico
- muro Trombe
- serra
Nel muro termico laccumulo egrave determinato da una parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni
termiche Il calore captato viene trasmesso per conduzione con un certo ritardo
attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento) allambiente
internoGli elementi di accumulo a calore sensibile comunemente adottati sono
costituiti da pareti eo solai aventi una adeguata capacitagrave termica
Talvolta il muro termico egrave rappresentato da un muro drsquoacqua costituito da
bidoni o barili che racchiudono acqua Il ricorso a questo sistema egrave giustificato dal fatto
che la capacitagrave termica dellrsquoacqua egrave superiore a quella dei materiali murari per cui a
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 23
Il sistema a guadagno diretto quello piugrave comune si realizza mediante ampie
vetrate esposte a sud aperte direttamente sullambiente interno che dispone di
sufficienti masse di accumulo
termico
Come giagrave accennato una
finestra orientata a Sud fornita di
aggetto lascia passare i raggi del Sole
(inclinati) durante lrsquoinverno ma non
lascia passare i raggi (meno inclinati)
durante lrsquoestate
I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da
- muro termico
- muro Trombe
- serra
Nel muro termico laccumulo egrave determinato da una parete di consistente massa
termica esposta a sud e prevede una superficie vetrata esterna per ridurre le dispersioni
termiche Il calore captato viene trasmesso per conduzione con un certo ritardo
attraverso la parete e quindi ceduto (per convezione ed irraggiamento) allambiente
internoGli elementi di accumulo a calore sensibile comunemente adottati sono
costituiti da pareti eo solai aventi una adeguata capacitagrave termica
Talvolta il muro termico egrave rappresentato da un muro drsquoacqua costituito da
bidoni o barili che racchiudono acqua Il ricorso a questo sistema egrave giustificato dal fatto
che la capacitagrave termica dellrsquoacqua egrave superiore a quella dei materiali murari per cui a
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 24
Muro di Trombe sulla facciata sud di un edificio residenziale
unitamente ad una serra e collettori solari termici
paritagrave di volume e di salto termico (esternointerno) il muro drsquoacqua accumula una
quantitagrave di calore maggiore Lrsquoaspetto negativo del muro drsquoacqua egrave insito nel fatto che
esso non puograve costituire elemento strutturale per cui rappresenta un extracosto
Il muro Trombe oltre al trasferimento del calore per conduzione (come nel
muro termico) consente anche quello per termocircolazione naturale dalla captazione
allrsquoambiente retrostante attraverso delle aperture poste in alto ed in basso sulla parete
In particolare si tratta di un muro pieno di circa 30 cm di spessore sul lato
esterno (in genere verso sud) dipinto in nero e protetto da una vetrata posta a 12 cm di
distanza sul lato interno del muro invece sono praticate delle aperture in alto ed in
basso in genere dotati di aperture termostatiche Quando il sole riscalda il volume daria
tra muro nero e vetro il calore accumulato egrave ceduto gradualmente allambiente interno
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 25
attraverso i moti convettivi dellaria riscaldata regolati e facilitati dalle aperture
termostatiche Laria calda leggera entra dalla bocchetta superiore e raffreddandosi con
laria piugrave fredda allinterno viene richiamata dalla bocchetta inferiore nellintercapedine
tra muro nero e vetro Destate puograve essere schermato per evitare un eccessivo
surriscaldamento
La serra rappresenta un sistema capace di creare un sistema cuscinetto tra
interno ed esterno con un evidente miglioramento delle condizioni di comfort Inoltre la
serra
si
puograve
addossare agli edifici preesistenti e costituisce lo spazio ideale (con i dovuti
accorgimenti) per la coltivazione di piante Se dotata di schermature ad elementi mobili
puograve essere considerata uno spazio abitabile
Nei sistemi a guadagno isolato la superficie di captazione egrave separata
dallaccumulo termico il trasferimento del calore fra i due elementi avviene per
convezione naturale o anche direttamente sempre per convezione naturale dalla
captazione allo spazio abitato
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 26
Un esempio di sistema isolato egrave costituito dal sistema Barra-Costantini che si
puograve schematizzare in un collettore solare montato sulla facciata sud delledificio Laria
riscaldata dal collettore viene convogliata in condotti posti nel soffitto che riscaldano la
struttura Si viene quindi a determinare una termocircolazione naturale (loop convettivo)
con conseguente trasferimento del calore dalla captazione (collettore) allrsquoaccumulo
(soffitto) ed allrsquoambiente interno
Sistemi solari attivi
Con lespressione energia solare attiva si intende in genere raggruppare tutte le
applicazioni che riguardano il settore delle applicazioni termodinamiche (energia
termosolare) ed il settore dellenergia fotovoltaica
Lenergia termosolare ha diversi sistemi applicativi che differiscono tra di loro
per il tipo di collettore impiegato il modo di immagazzinamento dellenergia ecc
In ogni caso tutti i sistemi attivi che vengono in genere utilizzati per riscaldare
gli ambienti o lacqua hanno come principali componenti sia collettori solari sia sistemi
di immagazzinamento del calore mentre la circolazione del fluido utilizzato per lo
scambio termico viene ottenuta mediante pompe o ventole
I pannelli solari impiegati nel settore edile offrono tra gli altri vantaggi la
caratteristica di poter essere integrati con relativa facilitagrave nella struttura
delledificio Esiste quindi la possibilitagrave di creare delle vere e proprie facciate
energeticamente attive senza rinunciare alla qualitagrave stilistica e architettonica
delledificio realizzando contemporaneamente un manufatto con un ridotto impatto
ambientale in termini di emissioni inquinanti
I sistemi solari attivi si differenziano dai sistemi solari passivi sopra descritti per le
seguenti specificitagrave
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
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- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
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OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 27
bull Il subsistema di captazione sia esso ad acqua o aria egrave generalmente un
componente modulare
(collettore solare) di
produzione industriale
composto da una lastra
trasparente (generalmente
vetro) da unrsquointercapedine
drsquoaria da una lastra nera
assorbente con sottostante
strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati
gli strati summenzionati
bull Il subsistema di distribuzione egrave un vero e proprio circuito impiantistico di
pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria) trasportante il fluido ai
terminali di scambio termico che possono essere radiatori tradizionali o
serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto) ndash nel caso di fluido
acqua ndash ovvero ventil-convettori o bocchette drsquoaerazione ndash nel caso di fluido
aria
bull Il subsistema di accumulo egrave rappresentato da contenitori drsquoacqua ndash che
scambiano indirettamente con il sistema distributivo e sono spesso associati alla
fornitura di acqua calda igienico-sanitaria ndash o letti di pietra generalmente posti
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 28
sotto il pavimento del piano terra e attraversati da condotti in arrivo dai
collettori nel caso di sistemi ad aria
bull Il sistema solare egrave generalmente assistito da un impianto di produzione del
calore a combustibile fossile dimensionato in modo tale da intervenire quando i
valori della radiazione solare incidente non sono sufficienti a produrre il calore
necessario allrsquoambiente
La scelta tra sistemi solari ad aria e ad acqua deve essere effettuata in relazione
al tipo drsquouso finale del calore e alle caratteristiche temporali dellrsquoutenza Un sistema
solare attivo ad acqua egrave consigliabile nelle destinazioni drsquouso residenziali permanenti
dove puograve essere associato allrsquoutilizzo di acqua calda igienico-sanitaria eo a sistemi di
riscaldamento ad alta inerzia e bassa temperatura quali i sistemi radianti ndash a pavimento
a soffitto o a parete Un sistema ad aria egrave consigliabile in destinazioni drsquouso non
residenziali o residenziali non permanenti dove egrave possibile sfruttare al meglio la
migliore efficienza istantanea I sistemi ad aria richiedono minore manutenzione dei
sistemi ad acqua
25 Radiazione solare a cielo sereno incidenza su una superficie
La valutazione dellrsquoentitagrave della radiazione solare istantanea che in una giornata
serena giunge ad esempio sulle pareti di un edificio puograve essere oggetto solo di
valutazioni approssimate in relazione al gran numero di variabili che la interessano e
della loro imprevedibilitagrave Se questo risulta possibile nel caso di un giornata serena lo
stesso non potragrave verificarsi in generale nel caso di giornate nuvolose a causa del
mutevole ed imprevedibile comportamento delle nuvole In genere per molte localitagrave
italiane sono disponibili dati relativi al numero medio mensile di ore di sole e di media
mensile della radiazione globale su superficie orizzontale mensili Focalizzando ora
lrsquoattenzione solo sulla radiazione solare che in giorni sereni incide sulle superfici esterne
orizzontali e verticali di un edificio si puograve osservare che questa dipende dalle variazioni
stagionali di altezza del sole sullrsquoorizzonte
In conseguenza le facciate verticali a nord non sono mai investite dalla
radiazione diretta la facciata verticale meridionale egrave sempre soleggiata ma
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 29
lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave inferiore in inverno (il
sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate le due facciate verticali ad est ed
ovest ricevono una quantitagrave superiore di energia in estate cosigrave come la copertura ma in
valore assoluto quelle meno di questrsquoultima
traiettoria solare
N
β
E
O
-Ψ +Ψ
β = altezza del Sole Ψ = azimut del Sole
zenit
Posizione del Sole rispetto alla superficie captante
Noti declinazione d angolo orario ω latitudine λ (la norma UNI 10349 Dati
climatici riporta la latitudine di tutte le cittagrave capoluogo di provincia) egrave possibile
determinare
- β altezza del sole sullrsquoorizzonte (angolo formato dalla congiungente i baricentri
della Terra e del Sole con il piano orizzontale) od il suo complementare θz
angolo zenitale
Si puograve dimostrare che risulta
sin β = cos θz = sin λ sin d + cos λ cos d cos ω
facendo attenzione a considerare solo i valori positivi di β ovvero a ignorare
altezze del sole negative sul piano dellrsquoorizzonte
- Ψ azimut solare (angolo formato dalla proiezione della congiungente Sole-Terra
sul piano dellrsquoorizzonte con la direzione Nord-Sud)
Si puograve dimostrare che risulta
cos Ψ =λλλλsdotsdotsdotsdotββββ
minusminusminusminusλλλλsdotsdotsdotsdotββββcoscos
dsinsinsin
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 30
dove Ψ assume valori positivi verso Est e negativi verso Ovest e tutti gli angoli
sono in gradi
Nella seguente figura egrave riportato un diagramma polare valido per la latitudine
specificata ove le diverse circonferenze di raggio via via decrescente corrispondono a
valori crescenti dellrsquoangolo di altezza solare ββββ I valori dellrsquoazimut solare sono riportati
in riferimento alla direzione Sud Sul diagramma sono poi tracciate linee che
rappresentano i percorsi solari nei giorni 21 dicembre e 21 giugno (solstizio drsquoinverno e
drsquoestate) 21 gennaio e 22 novembre 23febbraio e 20 ottobre ecc e cioegrave coppie di giorni
corrispondenti a mesi simmetrici con la stessa declinazione
Dopo aver determinato gli angoli che definiscono la posizione istantanea del sole
occorre determinare lrsquoangolo drsquoincidenza θ formato tra la normale alla superficie
considerata e la congiungente Sole-superficie Dati di partenza da desumere dal
particolare caso in questione sono ovviamente
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 31
- χ inclinazione della superficie (angolo tra la superficie ed il piano orizzontale)
- Ψs azimut della superficie (angolo misurato sul piano orizzontale tra la normale
alla superficie e la direzione Nord-Sud)
-Ψ
θ
+Ψs
β
+Ψs
χ
θs
superficie orizzontale________
_______superficie verticale
superficie inclinata θs = angolo zenitale
Posizione del Sole rispetto a superfici di diversa inclinazione e orientamento
Si puograve pertanto scrivere
cos θ = cos β cos(Ψ ndash Ψs) sin χ + sin β cos χ
avendo cura nel modello realizzato di scartare i valori per cui cosθ lt 0
26 Radiazione solare a cielo sereno flusso energetico incidente su
una superficie
Al fine di valutare la radiazione solare diretta diffusa e riflessa dal terreno che in
condizioni di cielo sereno incida su una superficie di generica disposizione ed
orientamento si puograve fare riferimento ad un modello semiempirico di ldquoatmosferardquo che
permette un soddisfacente grado di accuratezza Il modello matematico piugrave utilizzato egrave
quello adottato dallrsquoASHRAE che si basa sul calcolo delle radiazione normale e diffusa
mediante alcuni algoritmi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 32
Si usa definire Costante solare cϕϕϕϕ il flusso drsquoenergia raggiante [Wm2]
incidente su una superficie perpendicolare alla congiungente Terra ndash Sole fuori degli
strati atmosferici e misurata quando la distanza solare assume il valor medio Essa vale
cϕϕϕϕ = 1353 [Wm2]
A causa dellrsquoeccentricitagrave dellrsquoorbita la distanza Terra ndash Sole varia nellrsquoanno e
conseguentemente anche se in modo piugrave modesto la radiazione extra-atmosferica Nϕϕϕϕ
secondo la legge
Nϕϕϕϕ =
cϕϕϕϕ [1 + 0033 cos(360g365)]
Lrsquointensitagrave della la radiazione diretta dirϕϕϕϕ che incida inclinata (angolo drsquoincidenza θ) su
una superficie comunque orientata egrave fornita da
dirϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A cos θ (valida per cos θgt0)
dove
A egrave la radiazione extratmosferica virtuale (che si avrebbe se la provenienza dei
raggi fosse zenitale) Ersquo valutabile per ogni giorno dellrsquoanno mediante la
A = 115065 + 7243 cos(095 g) +3425 sin(0017 g)+15log(g) B egrave il coefficiente drsquoestinzione dellrsquoatmosfera Esso egrave dato da B =1(674 +0026 g ndash 513 10-4
g2 + 224 10-6 g3 ndash 280 10-9
g4)
La componente diffusa difϕϕϕϕ che incide sulla stessa superficie
difϕϕϕϕ =C
ββββsinB
e
AF
dove
C egrave il fattore di radiazione diffusa Ottenibile da
C =1(169+00001 g ndash 86510-4 g2 + 393 10
-6 g
3 ndash 4005 10-9
g4)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 33
Nella seguente tabella sono riportati valori dei coefficienti A B C valutati per il
21-esimo giorno del mese
Giorno A [Wm2] B [Wm2] C [Wm2] 21 Gen 1230 0142 0058 21 Feb 1214 0144 0060 21 Mar 1185 0156 0071 21 Apr 1135 0180 0097 21 Mag 1103 0196 0121 21 Giu 1088 0205 0134 21 Lug 1085 0207 0136 21 Ago 1107 0201 0122 21 Set 1151 0177 0092 21 Ott 1192 0160 0073 21 Nov 1220 0149 0063 21 Dic 1233 0142 0057
Coefficienti A B C valutati per il 21-esimo giorno del mese
Le espressioni permettono di estendere il calcolo della radiazione solare a
qualsiasi giorno dellrsquoanno
F egrave il fattore di vista tra la superficie considerata e la volta celeste Valutabile
mediante
2cos1
Fχχχχ++++====
Se la superficie egrave inclinata riceve meno radiazione diffusa dallrsquoatmosfera ma
puograve ricevere una quantitagrave aggiuntiva di radiazione riflessa rifϕϕϕϕ dovuta alla riflessione
dal terreno circostante il cui fattore di riflessione egrave detto albedo Lrsquoalbedo della
superficie circostante varia considerevolmente in funzione della natura del terreno della
vegetazione ecc La componente riflessa puograve essere determinata come
rifϕϕϕϕ =
ββββsinB
e
A (C + sinβ) ρg (1 ndash F)
dove ρg fattore di riflessione del terreno circostante (albedo) Lrsquoalbedo ad esempio puograve
variare dal valore medio pari a 007 per un ampio specchio drsquoacqua con sole alto fino a
raggiungere un valore di circa 065 quando il sole egrave basso sullrsquoorizzonte In letteratura
sono riportate valori di albedo per diversi paesaggi
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 34
In definitiva la radiazione Tϕϕϕϕ che complessivamente raggiunge una superficie
comunque orientata in condizioni di cielo sereno puograve essere calcolata come
rif
dif
dir
T ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ++++ϕϕϕϕ====ϕϕϕϕ
χ
Figura 36 Radiazione globale su di un piano comunque inclinato
radiazione diretta
radiazione diretta
radiazione diffusa
radiazione diffusa
radiazione
riflessa
In allegato si riporta un listato di un programma in MatLab per il calcolo della
radiazione solare incidente su una superficie comunque ubicata ed inclinata
Allegato
RADIAZIONE SOLARE g indica il giorno dellanno a cui si fa riferime nto g = 201 w indica langolo giornaliero e nota bene egrave in ra dianti w = gpi180 d indica la declinazione del Sole ed egrave espressa i n gradi d = 2345sin((g+284)360pi(180365)) long indica la longitudine della localitagrave ove egrave u bicata la superficie oggetto di studio inserisco longitudine di Genova espressa in gradi long = 88833 fu indica la longitudine del meridiano centrale d el fuso orario a cui appartiene la sopraindicata superficie espressa in gradi fu = 15 t indica il periodo della simulazione t = [0124] tau egrave il tempo espresso in ore scandite da un com une orologio tau = [0124] e = 042cos(w) - 323cos(2w) - 009cos(3w) - 735sin(w) - 939sin(2w) -034sin(3w) e rappresenta leq del tempo (tiene conto di var ie anomalie dellorbita terrestre) omega rappresenta langolo orario del Sole
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 35
omega = 15(12 - tau) - 025(e - 4(long - fu)) lat indica la latitudine della localitagrave ove egrave ubi cata la superficie oggetto di studio immetto latitudine di Genova in gradi lat = 44416 A egrave la radiazione extratmosferica virtuale A = 115025+7243cos(095gpi180)+3425sin(0017g pi180)+15log(g) B egrave il coefficiente destinzione dellatmosfera B = 1(674+0026g - 513power(10 - 4)power(g2)+224power(10 -6)power(g3) - 28power(10 - 9)power(g4)) C egrave il fattore di radiazione diffusa C = 1(169+00001g - 865power(10 - 4)power(g2)+393power(10 -6)power(g3) - 4005power(10 - 9)power(g4)) beta indica laltezza del Sole sullorizzonte beta = asin(sin(lat)sin(d))+(cos(lat)cos(d)cos(o mega)) psi indica lazimut solare psi = acos(((sin(beta)sin(lat)) - sin(d))(cos(beta)cos(lat))) csi indica linclinazione della superficie csi = 90 psis lazimut della superficie psis = 0 teta langolo di incidenza tra la normale alla su perficie e la congiungente Sole superficie teta = acos(cos(beta)cos(psi - psis)sin(csi)+sin(beta)cos(csi)) fidirn rappresenta lintensitagrave della radiazione d iretta normale alla superficie fidirn = A exp(B sin(beta)) fidir indica la radiazione diretta fidir = Acos(teta) exp(B sin(beta)) F esprime il fattore di vista tra la superficie c onsiderata e la volta celeste F = (1+cos(csi))2 fidif esprime la componente diffusa della radiazi one complessiva fidif = CIDnF rog egrave il coefficiente di riflessione del terreno c ircostante rog = 02 firif rappresenta la componente riflessa della ra diazione complessiva firif = A(C+sin(beta))rog(1 - F) exp(B sin(beta)) fitot esprime la radiazione complessiva fitot=fidir+fidif+firif
La figura successiva mostra lrsquointensitagrave della radiazione solare complessiva a
cielo sereno incidente su superficie verticale esposta a Est calcolata per le coordinate
geografiche di Genova I grafici successivi mostrano rispettivamente le radiazioni solari
incidenti il 21 luglio su superfici esposte ad Sud Ovest Nord
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 36
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Est (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Sud (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 37
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta ad Ovest (21 luglio)
Radiazione solare globale per una superficie verticale esposta a Nord (21 luglio)
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 38
Si puograve osservare come lrsquoentitagrave della radiazione solare che in una giornata serena
incide sulle superfici esterne orizzontali e verticali di un edificio dipenda
dallrsquoorientazione della parete dallrsquoora del giorno e dalle stagione che determina
lrsquoangolo di altezza solare Cosigrave si puograve affermare che mentre le facciate verticali a nord
sono minimamente investite dalla radiazione globale la facciata verticale meridionale egrave
sempre soleggiata ma lrsquoinclinazione dei raggi rispetto ad una retta normale ad essa egrave
inferiore in inverno (il sole egrave piugrave basso sullrsquoorizzonte) e maggiore in estate
Quanto detto puograve fornire alcuni suggerimenti al riguardo della piugrave opportuna
disposizione dei locali di un appartamento ad esempio gli ambienti con maggiori
esigenze di comfort e piugrave lunghi tempi di permanenza potranno essere esposti a sud
privilegiando il sud-est per le camere da letto (che vengono rassettate in mattinata e
quindi hanno bisogno di sole in questo periodo del giorno) ed il sud-ovest per gli spazi
di studio (che vengono utilizzate maggiormente nel pomeriggio) Tutti quegli ambienti
di servizio (garage depositi ripostigli) la cui fruizione non egrave continua e che pertanto
non necessitano di riscaldamento possono essere esposti a nord funzionando cosigrave da
spazi cuscinetto ovvero spazi filtro camere drsquoaria e ambienti per isolare lrsquointerno
dallrsquoesterno sul lato climaticamente piugrave svantaggiato
252 Valutazione ombreggiatura su pareti opachevetrate
Nella gestione di un edificio o di unabitazione la valutazione dellrsquoentitagrave della
radiazione solare incidente sulle pareti opachevetrate costituenti lrsquoinvolucro edilizio
presenta notevole importanza oltre che per affrontare lo studio di eventuali dispositivi
solari passivi anche per valutare il comportamento termico (in assenza di impianto) o i
carichi termici trasmessi allrsquoambiente confinato cui lrsquoimpianto di climatizzazione dovragrave
far fronte Come giagrave osservato lrsquoentitagrave dei carichi termici trasmessi condiziona nel
regime estivo la potenzialitagrave di un eventuale impianto di condizionamento dellrsquoaria
La conoscenza delle caratteristiche direzionali della radiazione solare egrave inoltre
necessaria per dimensionare eventuali schermi verticaliorizzontali che tramite
lrsquoombreggiatura di parte dellrsquoinvolucro esterno consentano di limitare i carichi termici
trasmessi allrsquointerno dellrsquoedificio Ersquo quindi opportuno discutere brevemente il
problema relativo alla valutazione delle ombre portate da schermi orizzontali o verticali
o da altri edifici sulla generica parete di un edificio
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 39
z
M
D
In figura egrave rappresentato un edificio munito sia di uno schermo verticale di
lunghezza pari a L che di un schermo orizzontale sempre di lunghezza L La posizione
del sole saragrave individuata dallrsquoangolo di altezza solare ββββ e dallrsquoazimut solare Ψ la
superficie invece dal solo angolo azimutale Ψs Entrambi gli schermi intercettano parte
della radiazione solare Lrsquoesame della figura evidenzia immediatamente che
-per lo schermo verticale con un aggetto di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L1 egrave
11 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== ove
s1 ψψψψminusminusminusminusψψψψ====γγγγ
-per lo schermo orizzontale con un aggetto sempre di L (m) la lunghezza dellrsquoombra L2
22 tanLL γγγγsdotsdotsdotsdot==== Poicheacute valgono le seguenti relazioni trigonometriche
Mz
tan
Dz
tan
cosDM
2
1
====γγγγ
====ββββ
γγγγsdotsdotsdotsdot====
risulta
12 costantan γγγγββββ====γγγγ
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 40
La valutazione dellrsquoombra ad un certo istante puograve pertanto essere
immediatamente calcolata noti gli angoli solari β ψ
Una valutazione rapida di L 1L e cioegrave tanγ1 e di L 2L e cioegrave tanγ2 puograve ottenersi
anche utilizzando il seguente diagramma
Utilizzo del diagramma
- la parte superiore permette di calcolare noti lrsquoangolo ψ e lrsquoorientazione della parete il
rapporto LL 1 o metri di ombra per metri di schermo per lo schermo verticale
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 41
- la parte inferiore permette di ricavare noti lrsquoangolo di altezza solare β ed il valore di
LL 1 prima visto per lo schermo verticale il rapporto LL 2 per lo schermo
orizzontale
Ad esempio per una parete orientata a SSW con ψ = 50deg e β = 57deg si ottiene
- schermo laterale un rapporto LL 1 = 06
- schermo orizzontale un rapporto LL 2 = 18
Lo studio descritto sulle ombre portate permette la valutazione delle ombre
portate da un edificio su di un altro Ad esempio nel caso si voglia determinare lrsquoombra
portata dallrsquoedificio B sullrsquoedificio prospiciente A
Se lrsquoaltezza dellrsquoedificio B egrave hB e la distanza tra essi egrave d (m) lrsquoombra portata da
B su A saragrave pari a
OM = hB ndash z [m]
dove z egrave pari allrsquoombra portata da uno schermo orizzontale di lunghezza d
Risulteragrave quindi
12 cos
tantandz
γγγγββββ====γγγγsdotsdotsdotsdot====
Tale valore puograve essere immediatamente dedotto dal diagramma sopra esposto
Analogamente se consideriamo due edifici A e B in pianta (vedasi figura sottostante)
lrsquoombra portata dallrsquoedificio B su A egrave ricavabile dalla relazione
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte
ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO ndash Cap 2 42
OMrsquo = krsquo ndash zrsquo [m]
dove
krsquo egrave la quota di quanto in pianta lrsquoedificio B sporge su A
zrsquo egrave eguale allrsquoombra portata da uno schermo laterale di lunghezza drsquo ovvero
1tandz γγγγsdotsdotsdotsdot==== e si puograve facilmente ricavare dal diagramma precedente
In casi piugrave articolati e complessi si puograve rappresentare su un diagramma con
ordinate lrsquoangolo di altezza solare ββββ e ascisse azimut solare Ψ (diagramma solare) il
percorso apparente del Sole alle varie ore del giorno per la latitudine considerata
Ponendosi quindi di fronte alla parete considerata rilevando con un teodolite lrsquoangolo
di altezza e lrsquoazimut delle diverse ostruzioni egrave possibile tracciare sul diagramma ψ ndash β
il profilo dellrsquoorizzonte