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L I B R i A

SUN-SHADE®

Sistema innovativo di facciata a doppio involucrocon frangisole integrato

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Lellonia_4.qxp 12/03/2007 11.33 Pagina 2

coordinamento editorialeAntonio Carbone

curatela scientificaPaolo Belardi, Fabio Bianconi

progetto graficoMarco Armeni, Luca Martini

referenze fotograficheMarco Armeni, Lorenzo Lilli, Luca Martini

fotolitoLitoscanner s.r.l.Palermostampa e legaturaFiniguerra Arti GraficheLavello

Prima edizione:

copyrightCasa Editrice LIBRiAMelfi (Italia)tel/fax +39 (0)972 236054e-mail: [email protected]

ISBN

SUN-SHADE® Indice

In principio era il rivestimento 7

I sistemi solari passivi 13

Le facciate a doppio involucro 14

Il disegno e il progetto. SUN-SHADE® 21

Analisi energetica 26

Istruzioni per l'uso (schede tecniche) 46

Lilli Serramenti_Giano dell’Umbria 48


7

In principio era il rivestimento

"Il re era giunto di fronte a un cavaliere dall'armaturatutta bianca: solo una righina nera correva torno torno aibordi; per il resto era candida, ben tenuta, senza un graf-fio, ben rifinita in ogni giunto, sormontata sull'elmo da unpennacchio di chissà che razza orientale di gallo, cangian-te di ogni colore sull'iride.Sullo scudo c'era disegnato uno stemma tra due lembid'un ampio manto drappeggiato, e dentro lo stemma s'a-privano altri due lembi di manto con in mezzo uno stem-ma più piccolo, che conteneva un altro stemma amman-tato più piccolo ancora. Con disegno sempre più sottileera raffigurato un seguito di manti che si schiudevano unodentro l'altro, e in mezzo ci doveva essere chissà che cosa,ma non si riusciva a scorgere, tanto il disegno diventavaminuto” (Italo Calvino, Il cavaliere inesistente).

Im Anfang war die Bekleidung/"In principio era il rivesti-mento".Con questo laconico aforisma, lanciato nel 1898 sullepagine della Neue Freire Presse, Adolf Loos rimarca cheabbiamo bisogno di rivestimenti per rendere piacevole lavita e per rendere piacevoli le nostre case: di tappeti per

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coprire i pavimenti e di carte da parati per coprire lepareti. Non a caso il progettista pensa sempre in terminidi pelle, perché "è la pelle che determina le reazioni psi-cologiche", e s'interessa della superficie prima che dellastruttura, perché "l'architettura è tutta nella superficie".D'altra parte, secondo Loos, è la superficie a produrre lareazione adeguata a un edificio (il terrore di fronte a uncarcere, il misticismo di fronte a una chiesa, il rispetto difronte a un tribunale): la struttura serve solo a garantirel'impalcato indispensabile per applicare un rivestimento

morbido quanto flessibile. Ancor più in un epoca, qualel'attuale, in cui l'utilizzo di grandi superfici vetrate con-sente di superare i tradizionali limiti dell'identificazionetra massa e materia costruttiva, rovesciandola nel suoesatto contrario ovvero l'identificazione tra materia eriflesso, tra materia e luce.Eppure non si può non riconoscere la necessità di opacitàrivendicata da Adolfo Natalini in una lectio magistralis tenu-ta nella primavera del 2006 presso la Facoltà di Ingegneriadi Perugia. Occasione in cui, prendendo le distanze da

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quella ossessionante ricerca della trasparenza che contras-segna l'architettura contemporanea, Natalini ha ricordatoche, con lo stesso impegno riversato sulla realizzazione diuna facciata in vetro, si riesce a realizzare una finestra inmuratura; condannando senz'appello la trasparenza fine ase stessa, ma promuovendo idealmente gli aspetti tecniciche legano l'architettura all'ambiente e, soprattutto, all'e-nergia che lo stesso può trasmettere all'architettura attra-verso la trasparenza.

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I sistemi solari passivi

L’impiego "passivo" dell’energia solare negli edifici(senza ausilio di mezzi meccanici di trasporto dei fluidi) sibasa sull’interazione spaziale tra energia radiante inciden-te ed energia fornita agli ambienti interni.Si distinguono sistemi solari passivi a guadagno diretto (loscambio termico prevalente è di tipo radiativo diretto: laradiazione solare entra nello spazio da riscaldare attraver-so ampie superfici trasparenti), indiretto (lo scambio ter-mico prevalente è di tipo convettivo, quello radiativo èindiretto attraverso una parete di accumulo: muro diTrombe o muro d’acqua), semidiretto e isolato (lo scam-bio è di tipo radiativo indiretto, attraverso una massa cheaccumula anche per scambio convettivo, ma senza passag-gio d’aria in ambiente: facciate a doppio involucro, serresolari, collettori ad aria, camini solari o sistemi Barra –Costantini).Utilizzati fin da tempi antichi, i sistemi solari passivi stan-no suscitando un rinnovato interesse, per l’esigenzaimpellente del contenimento dei consumi energetici degliedifici al fine di rispettare il Protocollo di Kyoto. Lo svi-luppo di materiali selettivi e di nuove tecnologie, insiemeai sempre più sofisticati sistemi di termoregolazione ,consente di proporre soluzioni innovative ed efficienti.

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Le facciate a doppio involucro

Nel 1849, il direttore del Museo industriale di BruxellesJean-Baptiste Jobard descrisse una versione pionieristicadella facciata ventilata, osservando come in invernopotesse circolare aria calda tra le due superfici vetrate,mentre in estate si dovrebbe muovere aria fredda.Una facciata a doppio involucro consiste in un vetro sin-golo rivolto verso l’esterno, un sistema di ombreggia-mento, una cavità intermedia con aria ed un vetro came-ra isolante verso l’interno. L’intercapedine può essereventilata attraverso il flusso derivante dalle spinte di gal-leggiamento (convezione naturale) o tramite sistemi mec-canici (ventilazione forzata). La quantità di calore inviataagli ambienti interni è data dalla somma del flusso tra-smesso per via diretta e della emissione secondaria dienergia del vetro interno; quest’ultima dipende stretta-mente dalla radiazione assorbita da tutto il sistema (H.Poirazis: "Double-skin façades for office buildings -Literature review", Department of Construction andArchitecture, Lund University, Sweden, 2004).Oltre a considerazioni di carattere estetico, i principalivantaggi legati all’adozione di vetrate a doppio inolucrosono elencati di seguito:

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_ risparmio energetico in condizioni invernali: il sistemafunziona come recuperatore termico attivo o passivo;nel primo caso l’aria di ricambio per gli ambienti inter-ni viene fatta circolare all’interno della facciata, risul-tando quindi preriscaldata prima dell’ingresso inambiente o all’unità di trattamento aria. Il recuperopassivo ha invece luogo quando l’aria rimane confinatanel volume del doppio involucro, portandosi a tempe-ratura più elevata rispetto all’aria esterna riducendocosì le perdite di calore verso l’esterno.

_ riduzione dei carichi termici estivi in presenza di siste-mi di ombreggiamento;

_ elevato potere fonoisolante della struttura;_ incremento della ventilazione naturale;_ basso rischio di condensa sulle superfici trasparenti per

la continua movimentazione dell’aria;_ possibilità di apertura degli infissi interni anche in con-

dizioni atmosferiche sfavorevoli;_ elevato illuminamento degli ambienti interni;_ schermatura degli agenti inquinanti.Se tutte le superfici sono piane e parallele e l’effetto discattering è trascurabile, possono essere applicate le leggidi Snell e Fresnel per calcolare la trasmittanza e la rifles-sione globale, insieme all’assorbimento energetico stratoper strato. La conoscenza delle modalità di trasmissione

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del calore nelle facciate a doppio involucro non può pre-scindere dall’analisi spettrale dei materiali che le com-pongono, specialmente se si riscontra una forte variabili-tà delle proprietà ottiche in funzione della lunghezzad’onda; inoltre, per modellare correttamente le riflessio-ni multiple che si verificano in corrispondenza di ogniinterfaccia tra due mezzi di natura diversa (ad esempioaria-vetro), sono necessarie tecniche dedicate quali, adesempio, i metodi di ray tracing.Secondo quanto riportato in Letteratura, i modelli rap-presentativi della fluidodinamica dell’aria all’interno del-l’intercapedine risultano piuttosto complessi, presentan-do fenomeni vorticosi, di ricircolazione e di flusso inver-tito, oltre a risultare difficoltoso definire a priori la moda-lità del flusso (laminare o turbolento). La simulazione delcomportamento del sistema rende pertanto necessario ilricorso alla termofluidodinamica computazionale ovveroall’applicazione di soluzioni numeriche ai sistemi di equa-zioni differenziali che regolano il campo di velocità e tem-peratura del flusso e che derivano dai principi di conser-vazione della massa, della quantità di moto e dell’energia.

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Il disegno e il progetto. SUN-SHADE®

La soluzione proposta prevede nella parte esterna il mon-taggio di un sistema integrato pala-frangisole e vetro checonsenta di ottenere i benefici della facciata a doppioinvolucro nel periodo invernale e del frangisole a pale nelperiodo estivo, ad un costo di poco superiore ad uno solodei due sistemi.La superficie esterna della facciata è delimitata da unvetro stratificato (due strati di vetro float da 5 mm sepa-rati da una pellicola di 0,37 mm di polivinilbutirrale); lepale frangisole sono realizzate in alluminio anodizzato inlega 6060 T5, materiale che coniuga elevate qualità diresistenza meccanica ad una densità relativamente ridottae ad eccellenti caratteristiche di resistenza agli agentiatmosferici. Infine, la pelle interna, un infisso tradiziona-le, è realizzata con l’accoppiamento di un vetro stratifica-to con un’intercapedine d’aria da 10 mm ed un ulteriorevetro float da 4 mm.La movimentazione delle pale si ottiene tramite un moto-re o un altro organo manuale fissato ad un manovellismo:nel periodo invernale il sistema sarà in posizione di chiu-sura, ovvero le pale frangisole si disporranno in posizioneorizzontale ed i vetri in posizione verticale; in tale confi-

pala frangisole in alluminioguanciola di collegamento vetro stratificato

profilo inferiore in alluminio

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pala frangisole in alluminio

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gurazione si realizza una facciata a doppio involucro. Nelperiodo estivo le pale frangisole verrano ruotate di unangolo che permetta la riflessione verso l’esterno deiraggi solari, mantenendo in ombra la parete esterna del-l’edificio e lasciando contemporaneamente libero accessoalla circolazione dell’aria fra l’intercapedine e l’esterno.La rotazione consente l’oscuramento totale della pareteinterna.


Analisi energetica

Le proprietà spettrali dei materiali che costituiscono lafacciata proposta sono riportate nelle figure a lato.I risultati delle misure spettrofotometriche, realizzate conuno spettrofotometro di precisione Varian Modello Cary2300, costituiscono la parte più significativa dei dati iningresso alla simulazione termofluidodinamica (H. Manz,T. Frank: “Thermal simulation of buildings with double-skin façades”, Energy and Buildings, 37 (2005), 1114-1121), eseguita con il codice Fluent 6.2 e i cui risultatisono descritti di seguito.Affinché l’interazione tra l’edificio e l’energia solarerisulti efficace, la facciata a doppio involucro deve esseredisposta in direzione sud, pertanto, le simulazioni sonostate eseguite ipotizzando tale orientamento azimutale.


Configurazione invernale

Nei mesi invernali, quando il sistema in oggetto si trova inposizione di chiusura, una considerevole parte del flussodi energia solare che incide sulla facciata viene trasmessaall’interno degli ambienti grazie alle riflessioni successivedelle pale ed alle elevate caratteristiche di trasmissionedei vetri che costituiscono le pareti verticali. In figura èriportato l’andamento della temperatura sulla superficieinterna della facciata alle ore 12 di un giorno tipo inver-nale in Italia centrale, è evidente come risulti significativoil contributo del flusso di calore solare trasmesso dallesuperfici esterne e dalla riflessione delle pale frangisole.Oltre all’ingresso di calore verso gli ambienti interni, una

parte dell’energia solare che attraversa lo strato più ester-no della facciata viene captata dall’aria contenuta nell’in-tercapedine che, come mostrato in figura, nel suo motogenerato da sistemi meccanici o dalle spinte di galleggia-mento, incrementa la propria temperatura e quindi il pro-prio contenuto energetico. Le simulazioni condotte attra-verso il codice di calcolo termofluidodinamico indicanoin 0,60 metri la distanza massima tra le due pelli per otte-nere significativi contributi energetici.La configurazione invernale permette il passaggio di unelevato quantitativo di luce solare verso gli ambientiinterni, garantendo un contributo significativo dell’illu-minazione naturale al raggiungimento delle condizioniottimali di comfort illuminotecnico.

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In figura è riportato l’andamento dell’energia solare inci-dente sul vetro interno, limitatamente al campo di lun-ghezze d’onda del visibile, alle ore 12 di una giornatainvernale. Le riflessioni successive sulle superfici dei fran-gisole in alluminio insieme al loro posizionamento oriz-zontale ed all’elevato valore del coefficiente di trasmissio-ne nel visibile del vetro esterno rendono minime le zoned’ombra (in blu nella figura). Nelle altre ore del giorno,la struttura diventa ancor meno schermante rispetto allaluce in quanto il sole si trova ad altezze inferiori rispettoal piano orizzontale, intersecando quindi la superficie deifrangisole con angoli minori.

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giore livello di ombreggiamento delle superfici interne,diminuendo il flusso termico in ingresso dovuto allaradiazione solare diretta.La simulazione termofluidodinamica in condizioni estivefornisce i profili di velocità nell’intercapedine e intorno alsistema vetro-frangisole, mostrando una libera circolazio-ne dell’aria e l’instaurarsi di moto turbolento.L’aria contenuta nell’intercapedine è libera di muoversiattraverso le aperture lasciate libere dal sistema vetro-frangisole; si evita così il verificarsi dell’effetto indeside-rato di surriscaldamento dell’intercapedine, che spesso siriscontra nelle facciate a doppio involucro con configura-zione fissa.

Configurazione estiva

Come per il caso invernale, la presenza del frangisoleassociato al doppio involucro permette lo sfruttamento divantaggi tipici dell’uno e dell’altro sistema applicati sepa-ratamente.L’apertura dei frangisole nella stagione calda, come evi-denziato dalla figura relativa alle ore 12 di un giorno tipoestivo nell’Italia centrale, limita significativamente l’in-gresso della radiazione solare all’interno dell’edificio,diminuendo così il carico termico di raffrescamento chel’impianto di condizionamento deve smaltire; in figura sinota anche che l’inclinazione verso il basso dei frangisole,più marcata rispetto al caso invernale, permette un mag-

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La possibilità di modificare l’angolo di inclinazione dellepale permette una regolazione del flusso di calore iningresso (radiazione solare diretta) che può essere realiz-zata su base stagionale, mensile, giornaliera o oraria,anche con sistemi automatizzati.


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Valutazione del risparmio energetico incondizioni invernali e estive

Al fine di valutare le prestazioni effettive del sistemaSUN-SHADE®, si è pensato di associarlo ad un edificioadibito ad uso uffici e residenze (tesi di Laurea: “Progettodi un complesso polifunzionale in località Tavernelle(Perugia) – Sperimentazioni di bioarchitettura”, di D.Buono, relatori prof. ing. F. Bianconi, prof. ing. F.Asdrubali), dotato di ampie superfici vetrate e quindi ido-neo per l’analisi energetica in questione, e di posizionarelo stesso in tre differenti località italiane scelte con il cri-terio di appartenenza a diverse zone climatiche; le locali-tà scelte per la prova sono Palermo (Zona B), Roma(Zona D) e Cuneo (Zona F).Il comportamento energetico dell’edificio è stato valuta-to attraverso un codice di calcolo per la simulazione ter-mofluidodinamica (Fluent) associato ad un software nor-malmente adibito all’analisi del fabbisogno energetico dienergia primaria degli edifici, ai sensi del D. Lgs. 192/05(HVAC-CAD, MC4 Software). Nel calcolo del fabbisognodi energia per la configurazione doppio involucro piùfrangisole, sono necessari i dati estrapolati dal codice dicalcolo Fluent, corrispondenti ai valori di temperatura

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ma di climatizzazione, se utilizzata come aria di ricambiopreriscaldata; non sempre è infatti richiesto il ricambioforzato dell’aria interna ma, qualora tale esigenza dovesseverificarsi, i valori del risparmio energetico potrebberorisultare ancora più elevati rispetto a quanto riportato diseguito. Con le ipotesi fatte, il contributo alla diminuzio-ne del fabbisogno energetico è quindi dovuto all’incre-mento della temperatura dell’aria che circonda l’edificionella facciata in cui è installato il sistema SUN-SHADE®.In tabella vengono riportati i valori del Fabbisogno diEnergia Primaria per le due configurazioni d’origine e lerelative riduzioni percentuali dovute all’applicazione delsistema SUN-SHADE®, nelle tre città campione. I valoridel FEP sono da intendersi relativi al solo alloggio consi-derato.

interna all’intercapedine che, in presenza di radiazionesolare, sono sensibilmente diversi dai valori di temperatu-ra oraria esterna media delle località in esame (Dati CNRe UNI 10349).La porzione di edificio scelta per l’analisi (vedi figura 1) èformata da un unico alloggio di 70 m2, sito in un pianointermedio e avente come superfici disperdenti una pare-te completamente opaca esposta a nord e comprensivadella porta di ingresso, e un’altra parete nella quale sonoinserite le superfici trasparenti, esposta a sud. Le configu-razioni investigate sono:_ superficie sud interamente vetrata;_ superficie sud parzialmente opaca (rapporto

vetrato/opaco 0,5);_ superficie sud interamente vetrata + sistema

SUN-SHADE®;_ superficie sud parzialmente opaca (rapporto

vetrato/opaco 0,5) + SUN-SHADE®.Sia le superfici vetrate che quelle opache rispondono airequisiti minimi di trasmittanza individuati dal D. Lgs.192/05 per le diverse zone climatiche.Per la stagione di riscaldamento le simulazioni sono stateeseguite non considerando gli apporti gratuiti legati alcarico di illuminazione; inoltre, si è trascurato il contri-buto che l’aria dell’intercapedine potrebbe dare al siste-

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[kWh/m2 anno]

Riduzione

SUN-SHADE®

CUNEO 73,5 12,5%

ROMA 48,2 12,8%

PALERMO 23,2 16,7%

CittàFEP

[kWh/m2 anno]

Riduzione

SUN-SHADE®

CUNEO 81,8 20,8%

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PALERMO 20,9 28,3%

SUN-SHADE® applicato a parete parzialmente opaca, caso invernale

SUN-SHADE® applicato a parete interamente vetrata, caso invernale


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Nella stagione estiva si sono studiate le medesime confi-gurazioni. Le simulazioni termofluidodinamiche hannoevidenziato come la temperatura dell’aria esterna imme-diatamente a contatto con le pareti perimetrali rimangapraticamente invariata rispetto ai valori di temperaturaoraria esterna media delle località in esame, a dimostra-zione della bontà del sistema innovativo SUN-SHADE®,che, a differenza di altri sistemi a doppio involucro, noncausa surriscaldamenti delle superfici irraggiate durantela stagione estiva.É stato realizzato un confronto dei consumi energetici frale due tipologie di pareti tradizionali del caso estivo (par-zialmente opaca e interamente vetrata) non schermatedalla radiazione solare, le stesse pareti dotate di un siste-ma di ombreggiamento interno (tende) con fattore dischermo pari a 0,5 e le stesse pareti alle quali è aggiuntoil sistema SUN-SHADE®, senza schermi interni. Nei cal-coli è stato trascurato il contributo energetico dell’illu-minazione; la diminuzione del carico termico estivo èriportata nella tabella seguente.

Le valutazioni relative alla stagione estiva non riportano ilvalore del FEP, o analogo indicatore energetico, poiché,ad oggi, non esistono metodologie di calcolo normate nériferimenti legislativi per la determinazione dei fabbiso-gni energetici estivi.Oltre ai citati vantaggi energetici e a quelli di carattereestetico ed architettonico ottenibili con l’applicazione delsistema SUN-SHADE®, vale la pena di evidenziare cometale soluzione apporti sensibili miglioramenti legati agliaspetti illuminotecnici ed alla possibilità di miglioramen-to del comfort visivo interno.

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CittàRiduzione con sistema

ombreggiamento internoRiduzione

SUN-SHADE®

CUNEO 6,2% 14,6%

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Parete parzialmente opaca, caso estivo: efficacia di un sistema di ombreggiamentointerno e del sistema SUN-SHADE®

Parete interamente vetrata, caso estivo: efficacia di un sistema di ombreggiamentointerno e del sistema SUN-SHADE®


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SCHEDA TECNICA

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Lilli Serramenti_Giano dell’Umbria

La società Lilli Serramenti è stata fondata nel 1987 dai socie titolari, ingegner Doriano Lilli e il fratello Pancrazio,dopo aver maturato importanti esperienze lavorative in pri-marie aziende del settore.Fin dalla nascita lo spirito è stato quello di offrire un sur-plus rispetto a quello che la comune parola "serramenti"induce a pensare.L'azienda ha infatti rivolto la propria attenzione a tutti iprodotti innovativi che periodicamente si proponevano sulmercato, anche introducendo sistemi e tecnologie proprie.Attualmente produce e installa tutti i tipi di serramenti inalluminio, legno-alluminio, acciaio, facciate continue e conappoggio puntuale, tunnel, coperture, tensostrutture e car-penterie leggere.L'azienda, che dispone dei più moderni macchinari per laproduzione di serramenti e delle carpenterie metalliche,possiede un proprio ufficio tecnico di progettazione.Opera con sistema di qualità certificato UNI EN ISO9001/2000, categoria EA 17 - 28, ha qualifica SOA cate-goria OS6 OS18 ed è abilitata all'esecuzione di lavori spe-ciali. È associata UNCSAAL.Tutta la produzione viene fornita con marcatura CE.

L'azienda è titolare dei seguenti brevetti:

FUTUR AL.L.®

- sistema per la produzione di infissi in legno-allu-

minio

S.J.S.® Spheric Jaws System - sistema per la realizzazione di fac-

ciate continue ad appoggio puntuale con snodo sferico senza foratura

dei vetri, brevetto internazionale

A.S.P.® Adjustable Stirrup Profile - sistema di ancoraggio inte-

grato profilo-staffa che consente la realizzazione di facciate puntuali

comunque posizionate nello spazio, brevetto internazionale

SUN-SHADE®

- sistema di facciata a doppio involucro con frangiso-

le integrato, brevetto internazionale


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SUN-SHADE®

Sistema innovativo di facciata a doppio involucro con frangisole integrato

responsabile scientificoPaolo Belardi

ASPETTI ENERGETICICIRIAF (Centro Interuniversitario di Ricerca sull'Inquinamento da Agenti Fisici)Sezione di Fisica Tecnica Ambientale\Università degli Studi di Perugia

coordinatoreFrancesco Asdrubali

gruppo di lavoroGiorgio Baldinelli, Manuele Battisti

PROGETTO GRAFICOSezione Interdisciplinare di Disegno e ArchitetturaDipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale\Università degli Studi di Perugia

coordinatoreFabio Bianconi

gruppo di lavoroMarco Armeni, Francesco Ceccagnoli, Luca Martini

prototipoLilli Serramenti srl, Giano dell’Umbria, Perugia

progetto realizzato con il sostegno di


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