[Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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ARCHITETTURA BOCLIMATICA ED INVOLUCRO EDILIZIO – Cap. 2 17 CAPITOLO 2 CENNI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA 2.1 Introduzione Per architettura bioclimatica si intende quel complesso di soluzioni progettuali che, pur mirando ad assicurare condizioni di comfort termoigrometrico, comfort nei riguardi della qualità dell’aria, comfort visivo ecc. all’interno degli edifici, cercano di limitare al massimo l'intervento degli impianti e quindi anche i relativi consumi di energia primaria. Questo approccio affida in modo prevalente alla struttura, alla conformazione fisica dell'edificio, al suo orientamento ed al contesto climatico in cui è 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 è stata posta una maggiore attenzione a un modo di progettare maggiormente responsabile “energy conscious design" (progettazione energeticamente consapevole), che ha come obiettivo primario la realizzazione di edifici che, grazie alla forma, all’esposizione e soprattutto al tipo d’involucro 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 l'illuminazione naturale; vento, evaporazione dell'acqua, scambio termico con il terreno per il raffrescamento estivo, ecc.), si possono ottenere importanti risultati per l’intera collettività, quali minore ricorso alle fonti primarie con conseguente riduzione dell’immissione nell’ambiente di agenti inquinanti. Si può osservare che, quanto più viene perseguito un approccio di tipo bioclimatico, tanto più assume importanza e risulta determinante una più corretta integrazione edificio-impianti. E’ immediato osservare che, per perseguire correttamente questo approccio, si richiederà, da parte del progettista, un maggiore e non minore livello di competenza tecnica.

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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)

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

Page 2: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

Page 3: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

Page 4: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

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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)

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

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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)

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

Page 7: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

Page 8: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

Page 9: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

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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)

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

Page 11: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

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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)

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

Page 13: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

Page 14: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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)

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

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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)

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

Page 16: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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

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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

Page 18: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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

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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

Page 20: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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

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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

Page 22: [Architecture eBook - Ita] Manuale - Architettura Bioclimatica

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

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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

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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

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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

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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