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Dispositivi passivi

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Regolamento

Le soluzioni “passive” richiamano una tradizione costruttiva legata al fattore climatico e appartengono, allo specifico campo d’azione della progettazione integrata tra lo studio architettonico e quello del comfort ambientale. L’edificio infatti, mediante un’opportuna scelta e disposizione dei materiali in cui è costituito, può accumulare l’energia termica captata per restituirla agli ambienti quando il sole sia assente, in relazione a cicli generalmente di breve periodo, giorno - notte, o di medio periodo, giorno assolato - giorni nuvolosi, o di lungo periodo, stagionale. Occorre, specie nei climi temperati - caldi come il nostro, che siano previsti anche sistemi di controllo da sovrariscaldamento, consistenti in protezioni dall’irraggiamento solare e sistemi di aperture in grado di assicurare la ventilazione degli spazi dedicati al guadagno solare. Elementi costitutivi dei dispositivi di captazione passiva dell’energia solare sono:

  • i collettori;
  • l’accumulo;
  • i componenti di controllo.

I collettori sono di norma costituiti da una superficie trasparente o traslucida, integrata sul lato Sud dell’edificio, verticale, inclinata o sulla copertura, e da un assorbitore che è di norma una superficie opaca, generalmente scura, esposta alla radiazione solare che penetra dalla superficie trasparente ed è così convertita in calore. L’accumulo è composto da materiali di diverso tipo che possono, con particolari modalità, immagazzinare calore per poi ricederlo nei momenti in cui l’edificio non è direttamente riscaldato dal sole. I componenti di controllo possono essere fissi o mobili, azionati manualmente o automaticamente; essi possono essere: schermature per regolare l’ingresso della radiazione solare, riflettori per aumentare la radiazione che raggiunge le aperture, valvole di vario tipo che agiscono sul moto naturale dei fluidi termovettori tra gli elementi, aperture regolabili per il controllo dell’aria esterna ecc. Naturalmente occorre porre molta attenzione al buon isolamento termico dell’edificio al fine di evitare dispersioni dell’energia accumulata sia in quelle parti, come le pareti a Nord, dove si verifica uno scarso soleggiamento, sia nelle parti vetrate quando esse, ad esempio di notte, non svolgono più funzione di captazione. I sistemi solari passivi sono di tipo diverso e ciascuno con proprie specifiche caratteristiche; elaborati nell’ambito della ricerca sulla progettazione ex novo, possono essere adottati, in diverso grado, per le operazioni di recupero dell’esistente. Di norma essi vengono divisi in tre categorie di sistemi:

  • a guadagno diretto;
  • a guadagno indiretto;
  • a guadagno isolato;

I sistemi a guadagno diretto sono quelli in cui l’energia radiante penetra direttamente nell’ambiente che si vuole riscaldare, viene accumulata di norma da elementi che svolgono anche altre funzioni, come ad esempio pareti e pavimenti, e riceduta per adduzione all’interno dell’edificio. Nei sistemi a guadagno indiretto l’accumulatore fa parte dell’involucro e riceve direttamente la radiazione solare per poi ricederla all’interno sotto forma di energia termica. Tra essi si annoverano i muri di Trombe-Michel, i sistemi Barra-Costantini e i Roof-Pond. Nei sistemi a guadagno isolato la captazione e la cessione dell’energia solare avvengono attraverso componenti indipendenti, collocati all’esterno dell’edificio, che possono anche essere separati da questo, il trasporto del calore avviene con fluidi, generalmente aria, che si muovono in appositi spazi dotati di dispositivi di regolazione e controllo.

Sistemi a guadagno diretto

Questo è il sistema più semplice per captare l’energia solare e utilizzarla per il riscaldamento ambientale. Si tratta di disporre ampie superfici vetrate sulle facciate rivolte a sud e isolare tutte le pareti cieche, in particolare quelle rivolte a nord. Le radiazioni solari penetrano attraverso le superfici vetrate nell’ambiente interno e qui vengono trattenute per effetto serra e assorbite da tutti i corpi presenti. Gli elementi edilizi - strutture, murature, pavimentazioni ecc. sono particolarmente adatti, per la loro massa, a funzionare come accumulatori. Per questo motivo è conveniente che l’isolamento sia posto all’esterno delle superfici murarie, in modo che queste agiscano come volano termico all’interno. Ovviamente le vetrazioni dovranno essere realizzate in modo che disperdano il meno possibile. Da considerare inoltre la necessità di avere solai, pavimentazioni e murature interne di massa sufficiente perché agiscano come accumulatori, cosa che non sempre si verifica nell’edilizia, data la frequenza di partizioni in cartongesso, pavimentazioni in materiale sintetico (pvc ecc.), uso di elementi in legno. Una limitazione è imposta dalla frequenza di alloggi mono - affaccio, con le aperture disposte sui lati lunghi dell’edificio ad est e a ovest, disposizione non ideale nel nostro contesto climatico. Con questo sistema solo gli ambienti direttamente interessati si giovano dell’apporto energetico solare, a meno che non vengano messi in diretta comunicazione con gli altri spazi dell’abitazione. Gli accumuli termici devono essere studiati in modo da assicurare un differenziale termico con la temperatura dell’aria al termine del ciclo giornaliero pari ad almeno 2 – 5°C per innescare lo scambio termico.

Sistemi a guadagno indiretto

Questi sono sistemi in cui la radiazione non raggiunge direttamente i locali da riscaldare, ma viene intercettata dal collettore e dall’assorbitore, dai quali viene trasformata in calore e trasmessa per irraggiamento e/o convezione agli ambienti fruitori, con un ritardo di alcune ore dipendente dai materiali utilizzati e dall’inerzia dell’assorbitore.

Muro di Trombe-Michel

È costituito da una parete massiccia, dipinta di scuro, che costituisce l’elemento di assorbimento e accumulo, con una parete vetrata, il collettore, che intrappola le radiazioni solari. Il calore viene quindi trasmesso all’ambiente interno per conduzione e successivo irraggiamento, oltre che per convezione grazie a delle aperture superiori e inferiori che mettono in comunicazione l’intercapedine muro - vetro e l’ambiente interno. L’apertura o la chiusura di tali tagli nel muro, a seconda delle ore del giorno e della stagione, determina la direzione dei flussi di aria calda. Non sempre è un sistema che dà apporti energetici molto rilevanti, ma ciò è bilanciato da costi realizzativi tutto sommato contenuti, considerando che la parete accumulatore costituisce la struttura o il tamponamento dell’edificio ed è quindi un elemento da non computare, o non completamente, nelle spese supplementari. L’apertura e la chiusura dei tagli di areazione, nel muro e nella vetrata, sono operazioni intuitive che abbastanza facilmente possono entrare nelle abitudini comportamentali dell’utente, così come si aprono e si chiudono delle finestre. Il sistema può funzionare quindi in maniera completamente passiva, senza necessità di sofisticati sensori o di attivatori di areazione. Particolare attenzione va posta al risultato estetico, decisamente non tradizionale, creato da queste superfici vetrate con i retro stanti muri scuri (anche se sono state fatte esperienze con altri colori assorbenti, come il blu e l’arancione). Particolare attenzione è da porsi in merito all’isolamento della porzione muraria nei periodi di non irraggiamento. Per muri di accumulo lo spessore andrebbe dimensionato in modo tale da ottenere sfalsamenti della temperatura nell’ordine delle 6 – 8 ore, ottenibili con materiali murari per spessori intorno ai 25 cm, all’aumentare dello spessore diminuisce la fluttuazione di temperatura sulla faccia interna.

Pareti ad accumulo

Vengono così definiti sistemi simili al muro di Trombe ma che non prevedono aperture di comunicazione tra intercapedine vetrata e ambiente interno. Si ottengono così rendimenti minori, ma si evitano anche i problemi relativi ai moti convettivi inversi estivi. Miglioramenti notevoli si possono ottenere utilizzando i TIM (Transparent Insulation Material) al posto del vetro.

Roof Pond

In questo sistema la captazione e l’accumulo vengono effettuati da contenitori in plastica sottile di colore scuro (ad es. sacchi di polietilene) pieni d’acqua, in genere di spessore dai 15 ai 40cm, posti in copertura. Di giorno l’acqua si scalda e il calore viene trasmesso per irraggiamento ai locali sottostanti tramite il solaio, che deve avere scarsa resistenza termica (ad es. lamiera grecata). Di notte i contenitori vengono protetti con pannelli isolanti. Nella stagione calda il funzionamento è inverso, favorito inoltre dai flussi convettivi ascensionali dell’aria calda (il cui vantaggio nel funzionamento invernale è invece quasi nullo). Le implicazioni di funzionamento e manutentive ne sconsigliano l’uso nei climi mediterranei.

Pozzo solare

L’elemento di captazione viene posizionato in copertura a chiusura di un cavedio le cui facce interne vengono rivestite da superfici riflettenti in modo da trasmettere le radiazioni solari verso il basso, sino agli elementi assorbitori, cioé le pareti di accumulo. Questo sistema non può essere impiegato per edifici molto alti, pena una spesa di realizzazione difficilmente ammortizzabile nel tempo. E’ un sistema a bassa efficienza termica, migliore è la resa luminosa.

Sistemi a guadagno isolato

Nei sistemi a guadagno indiretto l’elemento di accumulo si trova in prossimità della superficie vetrata e risulta necessariamente privo di strato isolante (pena la mancata trasmissione del calore per conduzione e irraggiamento), tutto ciò implica notevoli dispersioni, verso l’esterno in inverno e verso l’interno in estate. Nei sistemi a guadagno isolato si cerca di ovviare a questo inconveniente, separando e allontanando l’elemento captatore da quello accumulatore, ottenendo prestazioni decisamente superiori.

Collettori ad aria con letto di pietre

Questo è un sistema che può risultare interessante solo in casi di edilizia monofamniliare, o comunque per edifici di uno - due piani. Infatti i collettori ad aria risultano essere esterni all’edificio, più bassi e inclinati, e un letto di pietre, al di sotto del solaio del livello terra, costituisce il voluminoso elemento di accumulo del calore. Non sembra neanche particolarmente indicato per la ristrutturazione, anche se di edifici bassi, in quanto comporterebbe modifiche tali alla struttura di solaio di terra (per non dire la sua completa demolizione) da scoraggiarne decisamente l’adozione, a meno che non ci si trovi ad avere forte carenze dei requisiti statici o di comfort relativi alla chiusura di base o altezze di interpiano molto grandi, tali da potere essere ridotte con l’inserimento della massa d’accumulo e di un nuovo piano di calpestio.

Camini solari Barra-Costantini

La muratura adiacente al collettore vetrato risulta isolata verso l’interno e nell’intercapedine si trova un elemento assorbitore, una piastra di metallo nera, che si scalda e fa aumentare la velocità dell’aria, che così sale e entra in canali ottenuti nella partizione orizzontale, sino ad entrare nell’ambiente, dove si raffredda cedendo altro calore e torna (in maniera naturale o forzata) nell’intercapedine. Come si è detto le prestazioni sono maggiori rispetto ad un muro Trombe, anche perché si supera la fascia di influenza diretta di 4-6m, ma lo è anche la spesa di installazione. Esteticamente l’adozione di un tale sistema va affrontata con cura, come nel caso del muro Trombe, visto l’aumentare di superfici vetrate poste davanti ad elementi scuri. Il controllo dei flussi, al solito, avviene tramite l’apertura e la chiusura di piccole saracinesche o di valvole. Nell’edilizia residenziale pubblica recente, ma in generale in parte dell’edilizia residenziale del dopoguerra, l’altezza netta di interpiano è esattamente quella minima ammissibile, per cui l’adozione di questo sistema risulta, salvo deroghe, impossibile.

Collettori solari ad aria

Si tratta di collettori disposti sul perimetro dell’edificio, la circolazione dell’aria tra il collettore e gli ambienti interni dell’edificio avviene per moti convettivi naturali.

Serre solari

La serra solare, definita come all’articolo 49.2, si configura come il sistema forse più efficace e che meglio si integra con l’edificio, oltre che il più flessibile, potendo funzionare sia come sistema a guadagno diretto (sostituendo la parete di confine con l’abitazione con una vetrata), sia a guadagno indiretto (una sorta di intercapedine vetrata ingigantita) sia isolato (utilizzando soprattutto i moti convettivi dell’aria calda). Ciò implica che anche esteticamente la serra sia un elemento dalle diverse possiblità connotative. Nonostante il funzionamento come spazio tampone e, parallelamente, come collettore, questo elemento, essendo comunque un volume aggiunto all’edificio preesistente, si configura come una possibilità per riqualificare anche funzionalmente l’alloggio che ne venisse dotato. La trasmissione di calore all’ambiente retrostante può avvenire attraverso l’elemento di separazione per irraggiamento o attraverso moti convettivi dell’aria ottenuti grazie alla disposizione di aperture sull’elemento poste vicino agli elementi orizzontali di soffitto e pavimento. E’ fondamentale far capire all’utenza che questo spazio deve restare sufficientemente sgombro da elementi che ne potrebbero disturbare il funzionamento come elemento di guadagno termico. La progettazione della serra deve comprendere lo studio sulle modalità atte a prevenire il fenomeno del surriscaldamento e quello dell’eccessiva dispersione termica verso l’esterno attraverso l’adozione di dispositivi e materiali costruttivi idonei.


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Schemi di funzionamento – Immagine tratta da L’Industria delle Costruzioni n. 363


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Villa Fastiggi – Pesaro – Schemi di funzionamento – Inverno


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Villa Fastiggi – Pesaro – Schemi di funzionamento – Estate


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Abitazioni sociali nel quartiere di Valdespartera a Saragozza (Spagna). A destra la facciata esposta a nord, con poche aperture di piccola dimensione; a sinistra la facciata esposta a sud, con le serre per il guadagno solare. Al centro della corte il piccolo volume giallo contiene il terminale dell’impianto per il trasferimento pneumatico differenziato dei RSU


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Esempio di schermatura naturale con pianta a foglia caduca – Arch. W. Herzog


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Vista del quartiere Solar City a Linz