Bilancio termico di un edificio Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Bilancio termico di un edificio Autori: Paola Caputo Isa Zanetti Fonti: Corso Post diploma E.00 Energy Management Corso E.26 Architettura e ed energia solare: parte 3 solare passivo Architettura ed energia solare – Alessandro Rogora Corso E.21 Benessere e comfort abitativo – Paola Caputo Documenti internet Evoluzione tecnologica dei serramenti: dalle prestazioni termiche alle prestazioni acustiche - G. CELLAI - Università degli Studi di Firenze, Dipartimento TAeD Corso di tecnica del controllo ambientale Dottorato di ricerca Tecnologie dell'Architettura e dell'Ambiente - Facoltà di architettura Luigi Vanvitelli SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Indice SUPSI Definizione Perdite e guadagni Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Indice Definizione Perdite e guadagni Coefficiente di conduttività termica U Coefficiente di trasmissione solare G Prestazioni termiche dei serramenti Dispersioni in funzione della tipologia abitativa Requisiti e varianti SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Definizione: fabbisogno energetico Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Definizione: fabbisogno energetico Elettricità 20% Il fabbisogno energetico si riferisce ad un determinato periodo di tempo (mese, periodo di riscaldamento, anno) e viene indicato o come valore assoluto in kWh o come indice normalizzato, cioè in rapporto con il volume riscaldato (kWh/m3) o con la superficie riscaldata (kWh/m2) . Acqua calda 25% Riscaldamento55% SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Definizione Possiamo distinguere: dispersioni o apporti di calore attraverso le pareti perimetrali dovuti alla differenza di temperatura con l'ambiente esterno dispersioni o apporti di calore attraverso le pareti di separazione con ambienti confinanti qualora si trovino a temperatura differente apporti solari interni (energia irraggiata attraverso le finestre) apporti solari esterni (energia irraggiata sulle pareti perimetrali e trasmessa all'interno) apporti interni dovuti alla presenza di persone, elettrodomestici, illuminazioni calore fornito o sottratto dal sistema di riscaldamento o raffrescamento Il mantenimento delle condizioni ambientali desiderate all'interno di un edificio è il risultato del bilanciamento tra gli scambi di calore tra l'interno e l'esterno e la produzione di calore all'interno. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Perdite totali = Guadagni totali Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Perdite e guadagni PERDITE Trasmissione termica Ventilazione Acqua calda sanitaria Energia accumulata Perdite tecniche GUADAGNI Guadagni interni Guadagni solari passivi Sistemi solari attivi Energia accumulata Energia comprata Perdite totali = Guadagni totali SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Coefficiente di conduttività termica U: definizione Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Coefficiente di conduttività termica U: definizione In passato coefficiente K, indica la quantità di calore che attraversa una superficie pari a 1 metro quadro, quando tra due ambienti si ha una differenza di temperatura di 1° C o Kelvin (K). Tale coefficiente si esprime in Watt per metro quadrato e Kelvin (W/m²K). Quanto più basso si mantiene tale valore, tanto migliore risulta la coibentazione e tanto meno calore viene disperso. Valore U: 0,15 W/m²K Spess. della parete: 37,6 cm Parete esterna intelaiata in legno 1) Rivestimento in legno retro-ventilato; 2) Listello di fissaggio; 3) Pannello isolante di fibra di legno 50 mm., idrorepellente, diffusivo; 4) Montanti di legno 60/180 mm; 5) Isolamento termico con fibra di legno iniettata 180 millimetri; 6) Pannello OSB 15 millimetri di rinforzo, sigillato sui bordi, freno vapore; 7) Giunti incollati; 8) Listello di legno 60/60 mm per sostegno al cartongesso; 9) Isolamento termico con lino o canapa 60 millimetri; 10) Rivestimento interno in fibra del gesso 12.5 mm.   SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Calcolo del coefficiente U Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Calcolo del coefficiente U d1…dn Spessore dei relativi materiali in m hi, he Coefficienti di convezione termica in W/(m2 · K) ʎ1...ʎn Conducibilità termica dei rispettivi materiali in W/(m · K) Rg Resistenza al passaggio termico degli strati d’aria SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Coefficiente U dei materiali Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Coefficiente U dei materiali SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

La radiazione solare e il vetro Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 La radiazione solare e il vetro Quando la radiazione solare incide su un materiale trasparente: una parte viene riflessa (r) e, una parte di essa viene assorbita e successivamente riemessa (a); una parte viene trasmessa in funzione dei parametri che riguardano la natura del materiale stesso e le caratteristiche della radiazione, come la distribuzione spettrale e l’angolo di incidenza (g). SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Proprietà ottiche del vetro Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Proprietà ottiche del vetro Angolo di incidenza (gradi) Trasmissività e riflessività Dipendenza dall’angolo di incidenza Dipendenza dalla lunghezza d’onda Trasmissività spettrale vetro normale s = 3 mm vetro atermico grigio vetro atermico verde Lunghezza d’onda elettromagnetica in µm Energia Per angoli fino ai 45° i valori sono stabili, tra i 45° e i 65° diminuiscono e dopo tale angolo limite le variazioni rispetto al valore d’incidenza normale risultano significativamente diverse SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Coefficiente di trasmissione solare g: definizione Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Coefficiente di trasmissione solare g: definizione Il coefficiente “g” definisce la permeabilità energetica complessiva di vetrate o finestre e indica la percentuale di luce solare che penetra attraverso una superficie trasparente. Quanto maggiore il coefficiente “g”, tanto maggiore risulta l'apporto luminoso e il guadagno termico. Con una moderna vetratura con lastra a tre pareti questo valore è dello 0,55. Questo significa che il 55% dell'energia solare incidente penetra all'interno dell'edificio. Il resto viene riflesso o assorbito dalla lastra. Quanto più elevato il coefficiente “g”, tanto maggiore risulta il guadagno energetico. Esso dipende dal coefficiente di trasmissione, dal coefficiente di assorbimento, dalla trasmittanza del vetro, dalla conduttanza superficiale esterna. Bilancio termico su una superficie vetrata SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Controllo radiazione solare: climi caldi Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Controllo radiazione solare: climi caldi Il requisito principale per l’utilizzo di vetro in climi caldi è garantire elevate prestazioni di controllo solare per minimizzare il guadagno termico e di conseguenza il carico energetico per il condizionamento, ed evitare il surriscaldamento dell’ambiente, sempre dando per scontata l’importanza dell’illuminazione naturale e della visibilità verso l’esterno. Per soddisfare alcuni di questi requisiti, la trasmissione solare del vetro utilizzato in zone climatiche calde andrà ad inserirsi come valore di trasmissione energetica e luminosa a valori anche inferiori al 10%. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Controllo radiazione solare: climi temperati Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Controllo radiazione solare: climi temperati Le prestazioni del vetro in climi temperati devono garantire controllo solare e ridurre il surriscaldamento estivo pur consentendo un elevato passaggio di luce e mantenendo i benefici del riscaldamento solare passivo. I valori di trasmissione energetica e luminosa non saranno dunque bassi quanto quelli richiesti in zone climatiche calde. Allo scopo di permettere una progettazione solare passiva, il campo prestazionale dovrà essere: Trasmissione solare dal 20% al 70% Trasmissione luminosa dal 35% al 90% Valore U da 1.0 a 2.0 W/m2K SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Prestazioni termiche delle finestre Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Prestazioni termiche delle finestre Dopo l’iniziale successo dei doppi vetri, si sono susseguite una serie di ricerche tutte concentrate ad incrementare le prestazioni dell’intercapedine: uso di gas con minor conduttività dell’aria; trattamento superficiale dei vetri con conseguente riduzione dell’emissività; frazionamento dell’intercapedine (con ulteriori vetri o con films); uso di distanziatori dotati di bassa conduttività termica. Trasmissione termica nelle vetrate e conseguenti azioni di controllo SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Prestazioni termiche delle finestre: vetro con coating Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Prestazioni termiche delle finestre: vetro con coating Il controllo è incrementato attraverso l’utilizzo di coatings che: • Riducono il guadagno solare con una ampia gamma di opzioni prestazionali e performance alte, medie o ridotte. • Offrono una gamma di trasmissione luminosa da elevata a bassa. • Forniscono diversi gradi di riflessione inclusa quella bassa. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Prestazioni termiche dei telai Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Prestazioni termiche dei telai La trasmittanza termica di un telaio in alluminio è pari a circa 6 W/m²K, confrontabile quindi con quella di un vetro singolo, che si riduce a circa 3 W/m²K con il taglio termico. Per i telai metallici a taglio termico in genere, i valori Uf sono calcolati in funzione della più piccola distanza tra sezioni opposte di alluminio (d in mm), e del valore di conducibilità termica del materiale di taglio termico (compresa tra 0,1 e 0,3 W/mK). Con telai in materie plastiche vengono dati valori della trasmittanza Uf che variano tra 2,0 (PVC con profilo vuoto) e 2,8 W/m²K (poliuretano con anima di metallo) e quindi è simile a quella del legno. Per i telai in legno la trasmittanza viene calcolata in funzione dello spessore df e della natura del legno. Poiché i telai in legno hanno spessori normalmente compresi tra 50 e 60 mm, la trasmittanza varia tra 1,9 e 2,3 W/m²K, e quindi è generalmente inferiore a quella dei telai metallici con taglio termico. sezione di un tipico profilo in alluminio ed i corrispondenti valori Uf in funzione delle sue dimensioni (NC) SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Dispersione in funzione dei diversi tipi di abitazione Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Dispersione in funzione dei diversi tipi di abitazione SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Requisiti I requisiti di base di un sistema a guadagno diretto sono: Un’ampia superficie vetrata rivolta a sud e in comunicazione diretta con lo spazio abitato. Un criterio di buona pratica prevedrebbe una superficie vetrata pari al 7% dell’aria del pavimento per edifici non massivi, 13% per edifici a pareti massive; Una massa termica esposta nel soffitto e/o nel pavimento e/o nelle pareti con area e capacità termica opportunamente dimensionate e posizionate per l’esposizione alla radiazione solare e per accumulo; Una coibentazione della massa termica localizzata all’esterno; Molti edifici moderni hanno grandi vetrate rivolte a sud, ma la mancanza di un accumulo termico impedisce di sfruttare completamente il loro guadagno solare. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Pre-dimensionamento sistemi passivi a guadagno diretto Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Pre-dimensionamento sistemi passivi a guadagno diretto Rapporto (percentuale) tra la superficie della finestra e il pavimento in funzione della latitudine e delle temperature medie del mese più freddo SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Varianti Oltre a questi requisiti base, esistono una serie di varianti. Le varianti più comuni riguardano la scelta e il posizionamento dei materiali della massa termica. L’accumulo primario può avere varie configurazioni: a pavimento o come massa libera all’interno del locale, a soffitto o come parete interna o esterna. I materiali utilizzati per la massa termica possono variare dal calcestruzzo ai mattoni all’acqua e/o altri liquidi, scelti singolarmente o in varie combinazioni. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Approfondimenti SUPSI SITI WEB http://www.minergie.ch/it/index.php Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 3 Approfondimenti SITI WEB http://www.minergie.ch/it/index.php Sito MINERGIE® http://www.lesosai.com/it/index.cfm calcolo del bilancio termico di un edificio http://www.basel.ch/en/basel/urban_development/2000_watt_society the Basel pilot region of the 2000 Watt Society PAPER http://www.ti.ch/CAN/argomenti/legislaz/rleggi/rl/dati_rl/f/f07_28.htm decreto esecutivo sui provvedimenti di risparmio energetico nell’edilizia (05.02.2002) http://www.ti.ch/dt/da/spaa/uffre/temi/documentazione.htm fascicoli tecnici, MINERGIE®, documentazione tecnica SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA