Progettazione bioclimatica Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Progettazione bioclimatica 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 Documenti internet Clima e ambiente costruito - Angelo Mingozzi Progettazione bioclimatica – Alberto Raimondi Progetto di residenze   con l'utilizzo di sistemi solari passivi e di raffrescamento naturale ad Alfonsine – Giampaolo Silvestri & Cristina Bucchi 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 degli aspetti principali Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Indice Definizione degli aspetti principali Rapporto fra clima e forma Efficienza solare della forma Descrizione delle varie tipologie per il riscaldamento e il raffrescamento Sistemi solari passivi: a guadagno diretto, indiretto, isolato Raffrescamento Controllo della radiazione 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

Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Definizione In generale, la passive house è un edificio con una domanda di energia inferiore a 15 kWh/m2 anno. Un edificio è definito “passivo” quando la somma degli apporti di calore dell’irraggiamento solare trasmessi dalle finestre e il calore generato internamente all’edificio da elettrodomestici e dagli occupanti stessi sono quasi sufficienti a compensare le perdite dell’involucro. L’energia necessaria a pareggiare il bilancio termico dell’edificio è fornita con sistemi non convenzionali (pannelli solari, pompa di calore, caldaia a pellets). Comparazione consumi energetici 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

Aspetti che caratterizzano l’edificio come sistema passivo Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Aspetti che caratterizzano l’edificio come sistema passivo Queste prestazioni si ottengono con una progettazione molto attenta, specie nei riguardi del sole, con l'adozione di isolamento termico ad altissime prestazioni su murature perimetrali, tetto e superfici vetrate e mediante l'adozione di sistemi di ventilazione controllata a recupero energetico. Sistemazioni esterne Forma e dimensioni Orientamento Distribuzione interna Tecnologie costruttive Materiali Sistemi solari passivi Edificio come sistema passivo Guadagno diretto Guadagno indiretto Guadagno isolato 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

Caratteristiche di un edifico passivo 1/2 Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Caratteristiche di un edifico passivo 1/2 Forma compatta e buon isolamento termico. Orientamento verso sud. Valutare l’ombreggiatura. Serramenti ad alta efficienza energetica. Eliminazione dei ponti termici. Preriscaldamento passivo dell’aria fresca. Recupero di calore dell’aria in uscita attraverso uno scambiatore di calore. Utilizzo di energia rinnovabile per la produzione di acqua calda. Elettrodomestici a basso consumo. 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

Caratteristiche di un edifico passivo 2/2 Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Caratteristiche di un edifico passivo 2/2 Trasmittanza termica Tutti i componenti della struttura esterna sono isolati fino a raggiungere valori di max. U 0.15 W/(m2K)  20-40 cm di isolamento. Ermeticità dell’involucro Attraverso una adeguata applicazione dell’isolamento, la trasmissione termica lineare è ridotta al di sotto di 0.01 W/mK. Superficie vetrata Le finestre (ampia sup. rivolta a sud) sono costituite da vetri tripli a bassa immissione (0.75 W/(m2K) e infissi altamente isolati (0.8 W/m2K). Geometria solare Le finestre permettono la trasmissione della radiazione solare invernale incidente con bassa angolazione mentre in estate l’elevata altezza del sole riduce l’insolazione trasmessa. Controllo della radiazione solare Tramite superfici di separazione, schermi rigidi / flessibili, filtri solari. Massa termica È necessaria per accumulare calore durante il giorno e immetterlo durante la notte. 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

Componenti della forma: orientamento 1/2 Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Componenti della forma: orientamento 1/2 Sud: si può massimizzare il carico solare medio annuale, tuttavia in estate, quando cioè il sole è più alto e il flusso risulta più inclinato rispetto al piano d’incidenza, la quantità di energia che può ricevere una superficie verticale è molto bassa. Sud-Est e Sud-Ovest: si ottengono valori dell’apporto energetico medio annuale minori ma caratterizzati da un andamento più costante  nei mesi estivi però è maggiore il rischio di surriscaldamento. Nord, Nord-Est e Nord-Ovest: sono sconsigliate in quanto il soleggiamento risulta minimo, inoltre le zone sono spesso sottoposte a forti venti invernali. Est e Ovest: sono da evitare perché caratterizzati da grandi variazioni termiche giornaliere che comportano una scarsa continuità del carico 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

Componenti della forma: orientamento 2/2 Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Componenti della forma: orientamento 2/2 Oltre all'orientamento delle superfici finestrate, anche l'orientamento della facciata principale e quello degli ambienti interni riveste grande importanza. La facciata principale di un edificio dovrebbe essere rivolta verso il sole per ottimizzare l'utilizzo passivo dell'energia solare. Gli ambienti interni maggiormente utilizzati per la vita quotidiana mantengono di più il calore del sole se sono rivolti a sud. Verso sud-est e verso sud-ovest vanno rivolte le stanze che richiedono illuminazione. AI contrario, quelle che non abbisognano di molta illuminazione. Le zone poste tra gli ambienti caldi e la facciata fredda rivolta a nord, possono fungere da "vani intercapedine". N 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

Efficienza energetica della forma costruita Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Efficienza energetica della forma costruita La forma dell'edificio influisce in maniera significativa sulle perdite termiche. Lo scambio termico tra interno ed esterno di un edificio, avviene attraverso la superficie dell'involucro: tanto più elevata è la superficie che racchiude il volume, tanto più elevato è lo scambio Per essere energeticamente efficiente un edificio deve avere: un basso indice di compattezza dato come rapporto tra superficie e volume (S/V); in un edificio passivo dovrebbe essere inferiore a 0,6, Per avere una forma compatta, si deve quindi rinunciare a sporgenze e rientranze: balconi, terrazzi, verande si possono costruire, purché all'esterno dell'involucro termico. 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

Forma dell’edificio in relazione all’ambiente urbano Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Forma dell’edificio in relazione all’ambiente urbano Sotto il profilo energetico è l’impatto sole-aria ad influenzare maggiormente la forma assunta dal singolo edificio e dal tessuto urbano. La forma ottimale di un edificio non è quindi definibile in assoluto ma è strettamente dipendente, tra i vari fattori, dalla realtà ambientale e climatica del luogo. Quattro zone macroclimatiche (Victor Olgyay) Zona fredda: forma compatta - pianta quadrata. Zona temperata: forma allungata – piante più articolate e flessibili. Zona caldo-secca: forma quasi quadrata e il più possibile compatta – pianta base si trasforma in uno schema rivolto verso l’interno. Zona caldo-umida: forma stretta e allungata – pianta libera freddo temperato caldo secco caldo umido estate inverno guadagni termici MJ/giorni rapporto fra i lati perdite termiche MJ/giorni optimum 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

Distribuzione interna Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Distribuzione interna Distribuzione degli spazi interni in riferimento all’orientazione e alle ore di permanenza nei singoli ambienti secondo Mazria Indicazioni progettuali per la distribuzione degli spazi interni in condizioni di clima temperato 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

Tipi di accumulo termico Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Tipi di accumulo termico 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: guadagno diretto Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Sistemi solari passivi: guadagno diretto Sfruttamento del calore solare accumulato grazie all’inerzia termica naturale delle pareti, del soffitto e del pavimento dell’ambiente. 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. La distribuzione o la concentrazione della massa termica consente una prima suddivisione dei sistemi passivi a guadagno diretto. Entrambi hanno una vetrata rivolta a sud, ma differiscono per il modo con cui la luce solare viene distribuita quando penetra nell'edificio. Uno consente alla radiazione solare di colpire un'area concentrata di massa termica e l'altro diffonde o riflette la luce solare in modo da distribuirla su una più ampia area di massa termica. L'uso di vetri diffusori, tendine o della riflessione tramite superfici di colore chiaro, ha l'effetto di diffondere la radiazione solare ovunque attraverso il locale. Radiazione non diffusa Radiazione diffusa 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

Guadagno diretto: esempio realizzativo Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Guadagno diretto: esempio realizzativo L’involucro esterno è concepito per sfruttare il calore prodotto per mezzo di sistemi solari passivi e la luce naturale, ciò comporta una riduzione della domanda energetica. Un sistema a bris-soleil è incorporato in tutte le grandi vetrate in modo da contenere i guadagni solari diretti durante i caldi mesi estivi. Patrick H. Dollard Discovery Health Center (2003) – Sullivan Country (New York State) - Guenther 5 Architects 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: guadagno indiretto Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Sistemi solari passivi: guadagno indiretto Muro massivo Sfruttamento del calore solare accumulato da una massa ad alta inerzia termica posta tra il sole e l’ambiente da riscaldare. Parete di Trombe: consente per termocircolazione naturale dalla captazione all’ambiente retrostante attraverso delle aperture poste nella parte bassa ed in quella alta della parete. Roof pond: o tetto ad acqua, si basa sul fenomeno dell’inerzia termica determinato da ampie masse d’acqua, che poste sulle coperture nella stagione fredda, restano esposte al sole durante il giorno e coperte, durante la notte, con pannelli isolanti. In estate il processo si inverte. Parete di Trombe 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

Guadagno indiretto: esempio realizzativo Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Guadagno indiretto: esempio realizzativo La parete di Trombe si estende dal 15esimo al 16esimo piano e corrisponde ad un collettore solare di 552 metri quadrati. Preriscaldando l’aria in inverno e l’acqua calda sanitaria durante tutto, questo sistema sostituisce circa 1% dell’energia utilizzata annualmente senza necessitare di manutenzione o costi operativi. OHSU River Campus Building One (2006) – Portland (Oregon) – GBD Architects Vista della parete di Trombe 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: guadagno isolato Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Sistemi solari passivi: guadagno isolato Il collettore solare è termicamente isolato dagli ambienti dell'edificio. Nei sistemi passivi il trasferimento di energia dal collettore all'ambiente o all'accumulo e dall'accumulo all'ambiente avviene solo attraverso processi non meccanici, come la convezione e l'irraggiamento. Termosifone: l'aria è riscaldata nel collettore, diventa meno densa e si alza, richiamando aria più fredda dal basso; l'aria più calda trasferisce la sua energia all'accumulo isolato o alla stanza ed ai suoi occupanti, si raffredda e ricade verso il basso per essere ripresa dal collettore Sistema Barra-Costantini: l’aria riscaldata da questo collettore, circola attraverso condotti ricavati in solai, pareti e pavimenti massivi e rilascia la sua energia a questi elementi prima di ritornare al collettore. Detti elementi sono coibentati esternamente e forniscono calore all'ambiente per convezione e irraggiamento. Termosifone Sistema Barra-Costantini 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: serra solare Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Sistemi solari passivi: serra solare Una serra solare addossata, o aggiunta, consiste di uno spazio chiuso e vetrato disposto sul lato sud di un edificio. A seconda del clima e del tipo di utilizzo della serra solare, può esserci una parete di accumulo termico che separa la serra dall'edificio, o altri accumuli termici all'interno dello spazio solare: ciò serve per normalizzare la temperatura sia nella serra che nella casa. Normalmente la serra non viene termoregolata, per cui non è necessario fornire calore ausiliario. In molti casi la serra è utilizzata per preriscaldare l'aria di rinnovo della casa. Serra 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

Serra solare: esempio realizzativo Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Serra solare: esempio realizzativo Le parti inclinate della costruzione, che a sud sono costituite da vetrate, racchiudono serre che di giorno incamerano l'energia nei pavimenti e nelle ore notturne la cedono agli ambienti interni Abitazione (1979) – Regensburg (Germania) – Studio Herzog and partners 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 2 Raffrescamento 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 della radiazione solare Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Controllo della radiazione solare Schermi fissi: La schermatura più efficace per una finestra rivolta a sud è quella orizzontale, mentre per le finestre rivolte ad est oppure ovest si devono usare schermi verticali. I dispositivi più semplici sono gli aggetti ed i frangisole. Il difetto principale degli schermi fissi è che l'entità della schermatura è determinata dalle stagioni solari, piuttosto che da quelle climatiche e ciò produce effetti schermanti anche in periodi in cui è richiesto un riscaldamento passivo. Gli schermi fissi tagliano sempre una parte della radiazione diffusa e quindi riducono l'illuminazione naturale. Schermi mobili: schermi mobili dovrebbero essere progettati anche allo scopo di isolare di notte, durante la stagione del riscaldamento. Gli schermi interni sono meno efficaci in quanto la luce solare entra comunque nell'edificio e non può essere efficacemente riflessa all'indietro. Schermi mobili 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

Riferimenti e risorse SUPSI SITI WEB http://www.casapassiva.com/ Sistemi solari passivi a scala di edificio: modulo 1 _ lezione 2 Riferimenti e risorse SITI WEB http://www.casapassiva.com/ Progetto realizzato per promuovere la cultura delle abitazioni a basso consumo http://www.passive-on.org/it/ Progetto di ricerca e divulgazione per promuovere il concetto di case passive LIBRI Sistemi solari passivi Manuale dedicato alla progettazione di edifici passivi – Edward Mazria – 1980 Fondo librario DACD Codice 621.42 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