Sistemi solari passivi

Per sistemi solari passivi si intendono tutti quei sistemi in grado di sfruttare l’energia solare senza l’utilizzo di impianti speciali ma semplicemente grazie all’utilizzo di idonei accorgimenti architettonici in grado di captare i raggi solari ed accumularli sotto forma di calore all’interno dell’edificio.

Guadagno solare diretto

Il metodo più semplice per sfruttare l’energia solare per il riscaldamento degli ambienti è quello a guadagno diretto. Le radiazioni solari dirette e diffuse penetrano, infatti, attraverso le superfici vetrate degli edifici e vengono assorbite dai differenti elementi che compongono l’ambiente (pareti, pavimenti, arredi). Nelle ore notturne, questi cedono il calore accumulato riducendo notevolmente le oscillazioni di temperatura.
Sia con radiazione diretta sia diffusa il funzionamento continuo del sistema lo rende adatto a molte latitudini ed a molte condizioni climatiche. Inoltre, questo tipo di intervento non richiede particolari costi aggiuntivi per la costruzione dell’edificio ma solo un’accurata progettazione dimensionale degli elementi architettonici.
L’elemento più comune per la captazione in un sistema passivo diretto è la tradizionale finestra verticale, la captazione è funzione di diversi parametri geometrici di cui i più importanti sono: l’inclinazione e l’esposizione.
Per quanto riguarda l’esposizione la migliore risulta sempre quella a Sud mentre per quanto riguarda l’inclinazione la scelta è influenzata dalla latitudine e dal periodo dell’anno considerato. Ad esempio l’utilizzo dei lucernari all’interno di un edificio consentono l’introduzione della radiazione solare anche dal tetto garantendo una distribuzione più uniforme all’interno dell’edificio stesso. Possibili modifiche possono essere anche apportate su edifici esistenti con lo scopo di:

• incrementare artificialmente mediante riflessioni le superfici captanti durante il giorno e l’efficacia dell’isolamento notturno, durante il periodo di riscaldamento;
• schermare parzialmente o totalmente la superficie vetrata durante l’estate.

Serre solari

La serra solare è uno spazio chiuso, separato dall’ambiente esterno mediante pareti vetrate e collegato alla costruzione con aperture, eventualmente apribili; la copertura può essere vetrata o opaca a seconda della latitudine e delle esigenze termiche richieste in fase di progettazione. La serra è un volume che accresce il contributo all’edificio della radiazione solare, trasformata in energia termica e immagazzinata all’interno della serra stessa.
Un sistema molto comune per realizzare delle serre solari riguarda la creazione di ambienti vetrati accostati alla parte esterna dell’edificio.
Le serre solari possono essere realizzate, quando possibile, sia davanti ad un muro accumulatore sia davanti ad una parete vetrata. Nel secondo caso la realizzazione della serra fa sì che la struttura riesca a trattenere le dispersioni termiche dovute alla parete vetrata.
La serra combina le caratteristiche del guadagno diretto con quelle del muro ad accumulo. Infatti, essendo direttamente riscaldata dai raggi del sole, funziona come un sistema a guadagno diretto, in cui l’ambiente adiacente ad essa riceve il calore dal muro termoaccumulatore. La radiazione solare viene, cioè assorbita dal muro di fondo della serra, convertita in calore, ed una parte di esso viene poi trasferito all’edificio.
Per questo motivo, particolare attenzione va posta ai materiali di quelle parti deputate in primo luogo all’accumulo del calore e successivamente alla cessione di esso nelle ore fredde come il pavimento e le pareti, che devono avere una buona inerzia termica. È preferibile che le vetrate della serra siano sempre apribili per garantire la regolazione della temperatura sia in estate sia in inverno.

Nella progettazione di una serra solare si dovrà tenere in considerazione:

• la serra deve essere orientata verso Sud, con una tolleranza di più o meno 30/40 gradi. Sono assolutamente da evitare gli orientamenti Est ed Ovest che provocherebbero surriscaldamenti difficili da controllare ed eliminare. Una esposizione a Nord non pone, ovviamente, problemi di surriscaldamento, ma riceve nei mesi invernali radiazioni solari in quantità molto limitate;
• la serra deve essere ventilabile. Per evitare il surriscaldamento nelle stagioni intermedie e soprattutto d’estate, l’aria calda, che si forma all’interno della serra, deve essere espulsa e sostituita con aria esterna. Di conseguenza, la struttura della serra deve essere quanto più possibile apribile, consentendo un’accentuata variabilità di assetto;
• da molto chiuso in inverno a molto aperto in estate (in questa stagione si può prevedere anche la temporanea a dismissione degli infissi vetrati);
• la serra dovrebbe essere munita di schermature mobili per la protezione delle superfici trasparenti, in particolare quelle orizzontali e quelle verticali con esposizione a Ovest, dai raggi solari nei periodi caldi. Tali schermature possono essere di moltissimi tipi quali tende, veneziane, pannelli, vegetazione. Affinché siano efficaci, è opportuno che siano collocate all’esterno delle superfici trasparenti e che siano di colore chiaro. Per assicurare un buon comportamento termico e per ridurre il pericolo di condensa superficiale è raccomandabile l’uso di vetro camera;
• I telai possono essere realizzati in vari materiali, come per le finestre. Sempre per ridurre le dispersioni di calore ed i problemi di condensa è consigliabile l’utilizzo di profili con taglio termico;
• La copertura della serra costituisce la parte più delicata dell’intero sistema: le superfici orizzontali sono quelle che ricevono la maggior quantità di radiazioni solari nei mesi estivi e quindi devono essere schermate e possibilmente apribili. La schermatura si può ottenere mediante tende da sole avvolgibili, che scorrono su guide appoggiate alla struttura, all’esterno delle lastre trasparenti. Per consentire il deflusso delle acque piovane la copertura non potrà essere orizzontale, ma presentare un’inclinazione verso il bordo esterno, dove sarà presente una gronda di raccolta. Nel caso di pannelli scorrevoli se il movimento è attuato manualmente, tale inclinazione non dovrà superare il 5-6 %. Nel caso di movimentazione motorizzata si potranno utilizzare anche inclinazioni maggiori.

Guadagno solare indiretto: sistemi a muro solare

Il sistema a muro solare rappresenta una delle tecnologie maggiormente diffuse ed utilizzate nell’architettura bioclimatica.
Questo è costituito da una muratura massiccia, in laterizio, in pietra o in calcestruzzo (massa di accumulo) con una superficie annerita e protetta da una lastra a doppio vetro posta a 5-10 cm distanza.
Tra la superficie vetrata captante ed il muro solare viene a definirsi uno spazio ad “intercapedine”, all’interno del quale si determina un “effetto serra” fondamentale nel far innalzare la temperatura del muro solare che va ad assorbire ed accumulare la radiazione solare captata.
Nella fase di distribuzione del calore il muro solare irraggia l’energia accumulata verso lo spazio abitato.
La distribuzione dei flussi termici può essere incrementata ed agevolata anche da moti convettivi innescati da apposite aperture, collocate nelle zone inferiori e superiori del muro che pongono in collegamento l’intercapedine compreso tra la vetrata e il muro con l’ambiente interno.
È possibile individuare due fondamentali sottoarticolazioni di tale sistema bioclimatico in funzione dell’adozione di una parete di accumulo piena oppure di un cosiddetto “muro Trombe”, e pertanto in funzione del ricorso o meno al principio della termocircolazione per incrementare ed agevolare la distribuzione del calore all’interno degli ambienti.
Si avranno pertanto due fondamentali configurazioni del sistema:

• sistemi a muro solare pieno;
• sistemi a “muro di Trombe”.

Nei sistemi a muro solare e pieno il calore viene trasmesso allo spazio abitato per irraggiamento, dalla superficie interna del muro, con una piccola quota-parte che si trasmette per convezione a causa dei flussi d’aria che lambiscono la parete.
Il rendimento del sistema dipende essenzialmente dallo spessore del muro accumulatore, dal materiale che lo costituisce e dal colore della sua superficie. Il rendimento aumenta, in funzione del materiale costitutivo del muro, ovvero con l’aumentare della conduttività del muro stesso: tanto maggiore è la conduttività e tanto maggiore è la quantità di calore che si trasmette attraverso la parete.
Nello spazio tra vetro e muro, circa 5-10 cm, si possono generare temperature rilevanti, dell’ordine dei 50-60°C.

Nei sistemi a “muro di Trombe” (che prende il nome dal suo inventore Felix Trombe) sono previste delle aperture, nella parte superiore ed inferiore del muro, che mettono in collegamento lo spazio abitato con l’intercapedine tra la superficie di captazione ed il muro.
Le specifiche aperture (controllate attraverso l’uso di chiusure manuali o automatizzate) consentono l’innesco di moti convettivi che nel comportamento “inverno-giorno” sono caratterizzati da flussi d’aria ascensionali che dallo spazio intercapedine entrano in ambiente attraverso le aperture in alto, mentre l’aria più fredda presente nello spazio abitato viene richiamata nell’intercapedine dalle aperture in basso per essere a sua volta riscaldata e reintrodotta di nuovo nell’ambiente.
Durante la fase notturna dei “regimi mobili” possono essere inseriti per impedire la “termocircolazione inversa”, causa di dispersioni termiche, ed ottimizzare quindi il rendimento del sistema.
Il rendimento di un sistema a “muro di Trombe”, rispetto a quello con muro solare pieno, aumenta di circa il 10% purché siano previsti sistemi atti ad evitare la cosiddetta “termocircolazione inversa” durante il periodo notturno.

In generale le oscillazioni della temperatura dell’aria interna diminuiscono all’aumentare dello spessore del muro termico. Non bisogna trascurare, però, che il rendimento del muro aumenta all’aumentare della sua conduttanza, e quindi al diminuire del suo spessore, esiste pertanto una fascia ottimale di spessore per ogni materiale superata la quale ulteriori incrementi dello spessore non producono sostanziali benefici.

Durante il periodo estivo occorre in primo luogo impedire la captazione dell’energia solare da parte delle superfici vetrate. Pertanto è necessario prevedere appositi sistemi di schermatura esterna, fissi o mobili, in grado di ombreggiare la superficie vetrata ed impedire la captazione dell’energia solare.

Nei sistemi a muro di Trombe possono essere previste delle aperture nelle superfici vetrate ai fini di consentire la dispersione convettiva dell’energia termica, dal muro verso l’esterno.
Durante il periodo “estate-notte” risulta utile consentire la “termocircolazione inversa” (l’aria nello spazio tra vetrata e muro si raffredda e diventando più pesante scende entrando in ambiente dalle apertura in basso; mentre l’aria calda presente nello spazio abitato viene richiamata dalle aperture in alto) che permette il raffreddamento dell’aria presente in ambiente.