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progetto SO.PRA.N.E. PARAMETRI E STRUMENTI

DI UNA PROGETTAZIONE SOSTENIBILE

Palazzo delle Professioni mertedì 08 novembre 2011 sabato 12 novembre 2011

Elementi di geometria solare –Metodi applicativi per una progettazione bioclimatica

dott. ing. Silvia D’Agostinoconsulente dell’A.O.U. Meyer in materia di ambiente ed energia

membro del Direttivo dell’Istituto Nazionale Bioarchitettura / sez. Prato

Argomenti

• Significato ed efficacia di un approccio bioclimatico alla progettazione

• Esempi di architettura bioclimatica• Strategie “naturali• Elementi di geometria solare• Applicazioni pratiche• Esercitazione:

– progettazione di un aggetto– valutazione dell’ombreggiamento di un portico

• Metodi di approccio alla progettazione:

– il nuovo– l’esistente

• Conclusioni

ELEMENTI DI GEOMETRIA SOLARE – PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA

ing. Silvia D’Agostino

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Architettura bioclimaticaLa "bioclimatica" vuole mettere in relazione l'uomo, "bios", e il clima, essendo l'architettura un risultato delle interazioni fra entrambi.

Obiettivo: ottimizzare le relazioni energetiche con l'ambiente circostantemediante il disegno architettonico

Come:adattando l'edificio alle caratteristiche dell'ambiente circostante(vegetazione, rilievi, edifici esistenti, ecc.) per ottenere ilmaggior vantaggio dal punto di vista termico e luminoso, esfruttare lo stesso "intorno" per migliorare le condizioni dicomfort.



Significato ed efficacia di un approccio bioclimatico alla progettazione

Strumenti:utilizzazione di componenti e/o sistemi edilizi in grado di assolvere oltre alla loro funzione specifica anche funzioni energetiche, ossia captare, accumulare, conservare e restituirel’energia termica e luminosa della radiazione solare (es. un loggiato) oppure sfruttare la ventilazione naturale degli ambienti .

Efficacia:- riduzione del consumo complessivo degli edifici- aumento del benessere psicofisico dell’abitare- riduzione delle emissioni di CO2 nell’atmosfera



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ABITAZIONI DI MONTAGNA- Esposizione dei borghi montani è in prevalenza a sud sud-ovest, in modo

da avere soleggiamento diretto fino a sera, e beneficiare cosìdell’irraggiamento solare.La posizione di mezza costa è riparata dai venti freddi del Nord

- Forma compatta - La stalla al piano terreno, l’abitazione al piano primo e il fienile al piano

sottotetto- Piccole aperture

ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA



CASE COLONICHE TOSCANA (Fiesole) - esposizione a sud - nord riparato dalla collina e dai sempreverdi - loggiato d’ingresso come spazio inter-esterno (estate calda e secca)




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COSTIERA AMALFITANA- Case di pietra intonacate a calce (il bianco riflette i raggi solari diretti e

diminuisce l’acquisizione di calore) - tetti piani per la raccolta delle acque piovane - aperture ridotte al minimo




NORD AFRICA, ALGERIA- case sono in terra cruda - aperture minime verso l’esterno- cortili interni- intonaco a calce




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ESEMPI DI BIOARCHITETTURAELEMENTI DI GEOMETRIA SOLARE – PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA


ESEMPI DI BIOARCHITETTURA



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ROMA – LUNGHEZZINA 2

ESEMPI DI BIOARCHITETTURA



- Orientamento e posizionamento dell’edificio- Soleggiamento / Ombreggiamento- Sistemi solari passivi (serre, muri termici, muri di trombe)

- Isolamento termico- Isolamento acustico- Ventilazione naturale- Raffrescamento evaporativo- Coperture Verdi- Giardini- Recupero delle acque

STRATEGIE “NATURALI”



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L’intensità della radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre varia in funzione dell’angolo che i raggi solari formano con la superficie. La disponibilità di luce naturale sul sito presenta una forte influenza sul comportamento termico dell’edificio.

ORIENTAMENTO E FORMA

Al variare dei seguenti fattori:

1. caratteri fisiografici di un territorio(forma e posizione dei rilievi) 2. Inclinazione del terreno (rispetto all’orizzontale 3. ostacoli sull’orizzonte (naturali e no) 4. fattore di nuvolosità e di clima

Si modificano notevolmente anche le condizioni di irraggiamento




L’edificio dovrebbe essere posizionato in modo tale che:

- I consumi di energia per l’illuminazione artificiale e per il riscaldamento/raffrescamento meccanico siano minimizzati.

- Ridurre e controllare la radiazione solare (soprattutto nel periodo estivo)

- Migliorare la ventilazione naturale e il raffrescamento sulle superfici esterne dell’edificio (raffrescamento evaporativo)



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La geometria della radiazione solare, l’irradianza solare e la presenza e caratterizzazione delle ostruzioni, sono utili per l’analisi della disponibilitàdi luce naturale.Per questo è necessario valutare l’andamento della radiazione solare per diversi orientamenti di una superficie verticale, quella sul piano orizzontale e la caratterizzazione delle ostruzioni alla radiazione solare (esterne o interne alla zona oggetto di intervento).Il flusso termico trasmesso all’interno di un edificio può essere modificato:

1.scegliendo opportunamente forma ed orientamento degli elementi e dei materiali di cui è costituito;

2.variando l’incidenza e/o l’assorbimento della radiazione solare;

3.creando effetti d’ombra per ridurre l’intensitàdell’irraggiamento.




SOLEGGIAMENTO / OMBREGGIAMENTO

Articolando la superficie della facciata si possono evitare gli effetti negativi dovuti al surriscaldamento, riducendo l’apporto termico di riflessione e di calore assorbito dall’involucro, regolando di conseguenza il microclima esterno ed interno.



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L’aumento di temperatura dell’aria, se può risultare gradevole in inverno e, senz’altro sgradevole in estate (inoltre determina un incremento dei consumi elettrici per la climatizzazione degli ambienti); a tale scopo l’effetto mitigante della vegetazione è senz’altro un fattore apprezzabile e dal punto di vista della qualità ambientale che per il risparmio energetico.La vegetazione contribuisce con laproduzione di vapore acqueo almantenimento del grado di umiditàdell’ambiente. Influenza il ristagno e l’assorbimento idrico, riducendo o favorendo l’evaporazione al suolo.





Per ridurre il surriscaldamento estivo un buon metodo è quello di schermare opportunamente le aperture alla radiazione solare diretta.Questo non deve però impedire la penetrazione della radiazione nel periodo invernale.



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Valutazione dell’efficacia dei dispositivi di controllo solare previsti in sede di progetto Attualmente sono disponibili strumenti software in grado di costruire automaticamente i diagrammi solari e di simulare il percorso solare rispetto ad un modello di progetto.

Il moto del sole può essere simulato in ogni stagione e con intervalli di tempo personalizzabili


Studio sviluppato col software Ecotec



Caratteristica delle superficiPer superfici assorbenti si intendono superfici continue realizzate in materiali pesanti e scuri (pietra, laterizio, ecc.) in grado di assorbire in maniera rilevante la radiazione solare e di trattenere e rilasciare lentamente il calore accumulato. Tale caratteristica è da tenere in attenta considerazione, soprattutto per la valutazione del regime estivo.

Le superfici riflettenti, invece, esercitano la loro influenza non solo incrementando ilcarico termico sulle superfici adiacenti, ma anche alterando le condizioni di illuminazione. In particolare è da valutare il rischio di abbagliamento.

La permeabilità delle superfici orizzontali è invece un fattore significativo in funzione del regime di smaltimento delle acque meteoriche. Un’eccessiva impermeabilizzazione aumenta lo scorrimento superficiale con conseguente aumento del rischio di allagamento, mentre una pavimentazione permeabile non opportunamente controllata favorisce la dispersione di volumi d’acqua significativi, che invece potrebbero essere riutilizzati nell’ambito dell’edificio come acque bianche non sanitarie. L’analisi dello stato di fatto della permeabilità delle pavimentazioni in termini di analisi della permeabilità èquindi necessaria per la ridefinizione di un corretto assetto nella successiva fase di progetto.




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Protagonista principale:

SOLE





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Parametri solari di riferimento:

• Declinazione ( δ ):

Angolo sotteso tra la linea Terra-Sole ed il piano dell’equatore(positivo verso Nord)

δ = 23° 27’ x sen [(360/365) x ( 284 + n )]

con n= [1:365] giorno dell’anno



δ = [-23° 27’ : + 23° 27’] • δ = 0 in corrispondenza degli equinozi• L’altezza del Sole (E) è pari alla latitudine (φ) +/- δ



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• Angolo orario (ω):Angolo compreso tra la proiezione del Sole sul piano equatorialein un dato momento e la proiezione del Sole sullo stesso piano almezzogiorno solare

ω = 15° x ( h - 12 )con h = [0:24] ora del giorno

ω = [-180°:180°] nel giro delle 24 oreω < 0 al mattino e ω > 0 nel pomeriggio

• il Sole percorre un angolo di 15°/h



• Latitudine ( φ ):distanza angolare di un punto (P) dall‘equatore misurata lungo il meridiano che passa per quel punto.

•Longitudine:distanza angolare di un punto (P) dal meridiano fondamentale (di Greenwinch), misurata sull'arco di parallelo che passa per quel punto.



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•Elevazione (E):

angolo formato dal vettore che unisce l’origine degli assi cartesiani al Sole e la sua proiezione sul piano di orizzonte

sen E = ( senφ senδ + cosφ cosδ cosω )

•E varia in funzione di latitudine, giorno (attraverso δ ) e ora ( attraverso ω ) •Alla nostra latitudine (φ=43°) E= [0°:70°]•Ponendo E=0 si ottiene la durata del giorno alle varie latitudini:

cosω = - tgφ tgδ





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Azimuth (A):

angolo formato dall’asse Sud e la proiezione sul piano dell’orizzonte del vettore che unisce l’origine degli assi cartesianial Sole ( negativo verso Est e positivo verso Ovest ).

cos A’= (senδ – senφ senE ) / ( cosφ cosE )

A= A’ - 180° se h<12 A= 180° - A’ se h>12

•Alle nostre latitudini l’azimuth varia da -120° a +120°





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Elementi di geometria solare

• Perché è importate comprendere cosa significano e come si ricavano?

• Perché conoscere esattamente la posizione del sole nell’arco del giorno e nel corso dell’anno è fondamentale per poter SCEGLIERE cosa e come progettare.



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Formule:

Elevazione (E)senE = senf send + cosf cosd cosw

Azimuth (A) cosA’ = (send – senf senE) / cosf cosEA = A’ – 180° se h < 12A = 180° - A’ se h > 12

dove:f= latitudine localed= declinazione del Sole = 23,45 x sen [360/365 x (284+n)]w= angolo orario = (H – 12) x 15°

Riassumendo



EsercitazioneSupponiamo di voler schermare una finestra dai raggi solari dei

mesi estivi,prenderemo in considerazione:

1. Orientamento della mia finestra2. Scelta del periodo di ombreggiamento3. Scelta della modalità di ombreggiamento4. Valutazione della traiettoria del sole nel periodo considerato5. Valutazione di eventuali ombre portate sulla mia finestra6. Scelta del tipo di schermo da utilizzare.7. Calcolo delle caratteristiche GEOMETRICHE dell’ elemento

schermante



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1. Orientamento della mia finestraSud

2. Scelta del periodo di ombreggiamentoDal 1 maggio al 12 agosto.

3. Scelta della modalità di ombreggiamentoNelle ore più calde del giorno, dalle 11 alle 13 ora solare, (12-14 ora legale), vorrei avere circa il 100% della superficie vetrata ombreggiata.

4. Valutazione della traiettoria del sole nel periodo considerato (nostra lat.)Calcolo E del sole alle ore 12 (A=0, coincidente con la direzione del vettore perpendicolare alla mia superficie) del 1 maggio ( che saràcirca = al 12 agosto) e del giorno in cui il sole raggiunge la sua massima elevazione: 21 giugno, solstizio d’estate.





Diagramma lineare della posizione del sole durante l’anno

P.S.: è riferito alla nostra latitudine!

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E= 66,1°A= ±35,9 °ore 11 e ore 13

E= 58,3°A= ±28,4 °ore 11 e ore 13

E= 58°A= ±60 °ore 10 e ore 14

E= 69,5°A=0 °ore 1221 giugno (n=172)

E= 61°A=0 °ore 12 (ora solare)1 maggio (n=121)



5. Valutazione di eventuali ombre portate sulla mia finestraNon presenti(Altrimenti fare il Diagramma di orizzonte)

6. Scelta del tipo di schermo da utilizzareUn aggetto a 30 cm dalla sommità della finestra

7. Calcolo delle caratteristiche geometriche dell’ elemento schermante

L = (d / tg E ) cos |A|L= lunghezza dell’aggettod = distanza tra la base della finestra e l’aggetto



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E= 58°

E= 66,1°

E= 69,5°

E= 58,3°

E= 61°

L= 0,62 m

L= 0,61 m

L= 0,53 m

L= 0,94 m

L= 0,92 m

A= ±35,9 °

ore 11 e ore 13

A= ±28,4 °

ore 11 e ore 13

A= ±60 °ore 10 e ore 14

A=0 °ore 1221 giugno (n=172)

A=0 °ore 12(ora solare)

1 maggio (n=121)

Hip. d= 1,70 m cioè tutta la mia superficie in ombra



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Domanda:Cosa succede nel periodo invernale?

• Si prende un giorno rappresentativo dell’inverno, il 10 febbraio (n=41), o il 31 ottobre (n=304) e si verifica se, ad es., alle ore 12 la mia finestra è completamente esposta o meno all’irraggiamento solare

1- Si calcola E (alle ore 12 A=0) 2- Si calcola d

d = (L tg E)/ cos |A| (A=0 ↔ cosA=1)



E= 22,6°

E= 31,2°

d= 0,39 m

d= 0,57 m

A=0 °ore 1221 dicembre (n=172)

A=0 °ore 1210 febbraio(n=41)

L = 0,94 m

NON VA BENE!Il 10 febbraio la mia finestra ha già il 19 % della sua superficie in ombra !E non è mai completamente irraggiata dal sole!



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Dobbiamo modificare i nostri “progetti” iniziali:Facciamo in modo, ad esempio, che il 1° maggio alle ore 12 sia in ombra circa il 70 % della superficie finestrata, quindi:d= 1,25 mL= 0,7 m

Verifica invernale:10 febbraio ore 12 d = 0,42 m

Adesso la mia finestra ha soltanto il 9% della sua superficie inombra ! Ed il 21 dicembre è completamente irraggiata dal sole(d = 0.29 m).



Valutazione dell’ombreggiamento di un porticoELEMENTI DI GEOMETRIA SOLARE – PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA


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Valutazione dell’ombreggiamento di un porticoELEMENTI DI GEOMETRIA SOLARE – PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA




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1,20 1,30

2,15

0,60 0,60 0,90

28°

57°3,99

A BC D

O

1,10 2,251,152,42

27°

2,45



41°-27°D

42°0°C

19°-57°B

29°28°A

βαpunto

O

1,3

1,35

2,45

29°

A

O

1,3

1,35

3,99

19°

B

O

1,3

2,15

42°

C

O

1,3

2,1

2,42

41°

D

1,94

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O'

2,65

2,45

A'

O'

2,65

3,99

B'

2,15

C'

3,4

2,42

D'

3,24

O' O'

56°

55°

47°

34°

55°-27°D’

56°0°C’

34°-57°B’

47°28°A’

β’αpunto



B

DC

A

A'

C'D'

B'

Grafico del periodo di irraggiamento della mia porta-finestraOrizzonte Solare

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Altro esempio: ombre portate

• d= h / tg E



Metodi di approccio alla progettazione:

– Il nuovo• Analisi preliminare:

– Valutazione delle probabili modalità di utilizzo dell’edificio finito: obiettivi e priorità (energia-luce)

– Analisi del sito e rapporto con l’intorno – Coordinate geodetiche (Lat. e Long.) → Traiettoria del sole

all’orizzonte– Venti principali

• Utilizzo degli strumenti bioclimatici per il raggiungimento degli obiettivi:

– Scelta dell’orientamento – Disposizione e organizzazione dello spazio interno– Progettazione di elementi architettonici di schermatura e/o di

captazione solare (shed, pozzi di luce, lucernai – aggetti, pergolati, frangisole, logge – serre)



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– L’esistente• Analisi preliminare:

– Valutazione delle reali modalità di utilizzo dell’edificio in esame: obiettivi e priorità (energia-luce)

– Analisi del sito e rapporto con l’intorno – Analisi dell’organismo architettonico: struttura e forma– Coordinate geodetiche (Lat. e Long.) → Traiettoria del sole

all’orizzonte– Venti principali

• Utilizzo degli strumenti bioclimatici per il raggiungimento degli obiettivi:

– Valutazione di un’eventuale riorganizzazione dello spazio interno– Possibili interventi sull’intero organismo architettonico: struttura e

forma– Progettazione di elementi architettonici di schermatura e/o di

captazione solare (shed, pozzi di luce, lucernai – aggetti, pergolati, frangisole, logge – serre)



Facciamo qualche precisazione:

La valutazione della quantità di energia risparmiata in termini di kwh/anno attraverso l’utilizzo di strumenti bioclimatici deve rispondere alle metodologie di calcolo della L. 10/1991 aggiornata al D.lgs 192/2005, D.lgs 311/2006 e D.P.R. 59/09.

Anche la trasmittanza minima di pareti e serramenti deve soddisfare le indicazioni di tali norme, non permettendo l’utilizzo di certe strategie: non è possibile, ad es. non isolare una parete a SUD.

Stessa osservazione per la stima della resa energetica di un pannello solare termico o fotovoltaico, anche se la conoscenza della geometria solare ne permette un corretto posizionamento.



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Conclusioni:

E’ importante sottolineare che l’approccio metodologico esposto in questa sede costituisce un efficace strumento per il raggiungimento di standard qualitativi abitativi elevati.Tuttavia la quantificazione degli apporti energetici ottenuti attraverso una progettazione bioclimatica necessita, ad oggi, di una verifica secondo i parametri normativi vigenti.




Grazie per l’attenzione

dott. ing. Silvia D’[email protected]

Tel./fax. 0574 553787

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