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sistemi solari passivi

Sistemi solari passivi: cosa sono e come funzionano

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I sistemi solari passivi sono accorgimenti architettonici in grado di favorire il comfort interno senza ricorrere attivamente al consumo di energia

I sistemi solari passivi sono dispositivi capaci di sfruttare l’energia solare per riscaldare o rinfrescare un ambiente senza l’ausilio di dispositivi meccanici.

Si tratta di una strategia bioclimatica diffusa principalmente alla medie e alte latitudini, dove è spesso necessario un compromesso tra captazione invernale e schermatura estiva, mentre risulta poco applicata alle basse latitudini, dove il problema principale è la schermatura solare.

Tra i principali sistemi solari passivi vi è la serra bioclimatica capace di catturare, conservare e distribuire il calore del sole. Il calcolo delle serre solari è parte integrante del calcolo del fabbisogno energetico dell’edificio stabilito dal pacchetto normativo UNI/TS 11300, il quale rimanda, specificatamente per il calcolo degli apporti termici dovuti alla serra solare, alla UNI EN ISO 13790:2008. Con il software per serre solari puoi calcolare il contributo delle serre bioclimatiche all’efficienza energetica dell’edificio a partire dai dati geometrici e dai parametri termici della serra.

serre solari

Serre solari- software TerMus-SR

Cosa sono i sistemi solari passivi

I sistemi solari passivi sono l’insieme delle tecnologie edilizie che sono in grado di controllare le dinamiche di scambi termici tra esterno ed interno dell’edificio, sfruttando come fonte di energia la radiazione solare e come elementi di captazione e di accumulo i componenti della costruzione stessa.

Essi impiegano l’irraggiamento solare incidente sulle superfici dell’involucro edilizio e meccanismi naturali (cioè, senza l’ausilio d’energia prodotta da impianti termici o importata dalla rete) per il trasferimento del calore assorbito all’interno dell’edificio.

Dunque, i sistemi solari passivi consentono di raccogliere, immagazzinare e distribuire energia termica mediante processi naturali, quali radiazione, conduzione e convezione, con lo scopo di regolare il livello termoigrometrico dell’ambiente.

Come funzionano i sistemi solari passivi

I sistemi solari passivi si basano su 3 principi fondamentali, che costituiscono i pilastri dell’architettura bioclimatica:

  • captazione dell’energia tramite effetto serra: questo principio sfrutta la capacità dei vetri di lasciar passare la radiazione solare, mentre impediscono il passaggio delle radiazioni di onda lunga (circa 11.000 nm) emesse dalle superfici riscaldate. Il calore rimane intrappolato e può essere utilizzato in diverse forme, seguendo lo stesso principio che regola la vita sulla Terra;
  • accumulo: l’energia viene immagazzinata in strutture pesanti con elevata inerzia termica, come muri e solai, con un ritardo temporale e un’attenuazione dell’onda termica;
  • distribuzione: il calore accumulato viene poi distribuito e rilasciato nell’ambiente circostante, riducendo così i fabbisogni energetici dell’edificio.

Gli elementi essenziali dei sistemi di captazione passiva dell’energia solare sono:

  • collettori: costituiti da una superficie trasparente o traslucida, integrata sulle facciate ben esposte dell’edificio o in copertura, e da un assorbitore, una superficie opaca scura, esposta alla radiazione solare che penetra la superficie trasparente;
  • masse di accumulo: composte da materiali di diverso tipo e deputate a immagazzinare calore per poi ricederlo anche in assenza di radiazione solare;
  • componenti di controllo: possono essere fissi o mobili, azionati manualmente o automaticamente e sono 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.

Sistemi solari passivi: tipologie

I sistemi solari passivi possono essere di tipo diverso e ciascuno con proprie specifiche caratteristiche.

In base alla relazione esistente tra il punto in cui il calore viene captato e il luogo effettivo del suo utilizzo, i sistemi passivi possono essere classificati in:

  • sistema a guadagno diretto: lo scambio termico prevalente è di tipo radiativo diretto;
  • sistema a guadagno indiretto: lo scambio termico prevalente è di tipo convettivo, quello radiativo è indiretto, attraverso la parete di accumulo;
  • sistema a guadagno isolato: la superficie di captazione è separata dall’accumulo termico, lo scambio è di tipo radiativo indiretto con una massa che accumula senza introdurre aria riscaldata direttamente nell’ambiente.

Sistema a guadagno diretto

I sistemi a guadagno diretto sono l’applicazione più semplice dell’energia solare passiva. Permettono all’energia radiante di entrare direttamente nell’ambiente da riscaldare. Questa energia viene solitamente immagazzinata da elementi che hanno anche altre funzioni, come pareti e pavimenti e poi rilasciata all’interno dell’edificio per riscaldamento per adduzione.

Il sistema prevede l’installazione di ampie superfici vetrate sulle facciate esposte a sud, mentre le pareti cieche, specialmente quelle orientate a nord, devono essere ben isolate. Le radiazioni solari attraversano le superfici vetrate e vengono trattenute all’interno grazie all’effetto serra. Le strutture edilizie, come muri e pavimenti, grazie alla loro massa, sono particolarmente efficaci come accumulatori di calore. Pertanto, è consigliabile posizionare l’isolamento all’esterno delle superfici murarie, affinché queste possano fungere da volano termico interno.

Le superfici vetrate devono essere progettate per minimizzare la dispersione di calore. Inoltre, è fondamentale che solai, pavimenti e pareti interne abbiano una massa sufficiente per agire come accumulatori, cosa che non sempre si verifica a causa dell’uso frequente di materiali leggeri come cartongesso, pavimenti sintetici e legno nell’edilizia moderna.

Guadagno diretto

Guadagno diretto

Sistema a guadagno indiretto

Per quanto riguarda, invece, il guadagno indiretto, il calore viene generato in uno spazio adiacente a quello abitato: la luce del sole viene assorbita da una parete esposta a sud, la quale immagazzina calore e, grazie ai moti d’aria dell’ambiente retrostante, lo trasferisce allo spazio interno.

Per un maggior controllo della temperatura interna, inoltre, viene spesso incluso un sistema di ventilazione sopra e sotto la parete, così da poter aiutare nella regolazione della temperatura.

Guadagno indiretto

Guadagno indiretto

I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da:

  • muro solare;
  • muro di Trombe;
  • roof pond (sistemi a copertura solare).

Muro solare

Questo sistema prevede il guadagno termico mediante la captazione dell’energia solare attraverso superfici vetrate appositamente progettate, poste davanti a una parete di accumulo, nota come muro solare, che assorbe, accumula e irradia l’energia termica verso l’interno dell’edificio. Il sistema è costituito principalmente da una superficie vetrata captante situata davanti a un muro di accumulo (muro solare).
La superficie vetrata crea uno spazio a intercapedine davanti al muro solare, generando un effetto serra che aumenta la temperatura della parete di accumulo, la quale assorbe e immagazzina la radiazione solare catturata. Durante la fase di distribuzione, il muro solare irradia l’energia accumulata verso l’interno attraverso la sua faccia interna. La distribuzione del calore può essere potenziata da moti convettivi, attivati da aperture poste nelle zone inferiori e superiori del muro, che collegano lo spazio tra la superficie vetrata e il muro con l’ambiente interno.

Muro di Trombe

Nel muro di Trombe l’elemento di accumulo è costituito da una parete realizzata con materiali ad alta inerzia termica, orientata a sud e tinta di un colore scuro per assorbire meglio le radiazioni. Sulla parete sono opportunamente posizionate delle prese d’aria superiori e inferiori che possono essere aperte o chiuse a seconda della necessità e a distanza, davanti al suo lato esterno, è installata una superficie vetrata che funge da elemento captante.

Roof pond

Questo sistema prevede il guadagno termico mediante l’intercettazione dell’energia solare da parte di masse termiche d’acqua posizionate sopra il solaio di copertura dell’edificio. Queste masse assorbono e accumulano l’energia solare ricevuta, che viene poi trasferita per conduzione al solaio, il quale irradia il calore verso lo spazio abitato. La captazione dell’energia solare può essere effettuata anche tramite superfici vetrate posizionate sopra la massa termica.

Il sistema comprende una massa termica d’acqua contenuta in vari tipi di serbatoi (metallici, plastici, ecc.), collocati sopra il solaio di copertura e, se necessario, protetti da una vetrata che funge da captatore solare e crea un effetto serra tra la vetrata e la massa termica, incrementando rapidamente la temperatura dell’acqua.

Il calore accumulato viene poi trasmesso per conduzione al solaio, che deve avere una buona conduttività termica per irradiare efficacemente il calore nell’ambiente interno.

Per ottimizzare l’efficienza del sistema, è necessario prevedere pannelli mobili termoisolanti che isolino la massa termica quando non c’è apporto solare. Questi pannelli aiutano anche a regolare la captazione solare stagionalmente, consentendo sia il riscaldamento che il raffreddamento degli ambienti.

Sistema isolato

Il sistema a guadagno solare isolato utilizza il calore generato in un punto distante dall’ambiente che si desidera riscaldare, spostandolo in seguito tramite convezione naturale o forzata. Il vantaggio nell’utilizzo di quest’ultima tipologia è la sua facile adattabilità ad edifici esistenti.

Guadagno isolato

Guadagno isolato

Tra i sistemi isolati vi sono:

  • collettori ad aria con letto di pietre;
  • camini solari Barra-Costantini;
  • collettori solari ad aria;
  • serre solari.

Collettori ad aria con letto di pietre

Questo sistema è particolarmente adatto per edifici unifamiliari o edifici di uno o due piani. I collettori ad aria, posizionati esternamente all’edificio, sono inclinati e più bassi, mentre un letto di pietre sotto il solaio del piano terra funge da voluminoso accumulatore di calore.

Non è generalmente consigliato per la ristrutturazione, anche per edifici bassi, poiché richiederebbe modifiche significative alla struttura del solaio del piano terra, se non la sua completa demolizione. Questo potrebbe scoraggiare l’adozione del sistema, a meno che non vi siano gravi carenze nei requisiti statici o di comfort della base dell’edificio o grandi altezze interpiano che potrebbero essere ridotte con l’inserimento della massa d’accumulo e di un nuovo piano di calpestio.

Camini solari

Il sistema descritto prevede l’uso di una muratura isolata verso l’interno con un collettore vetrato e una piastra metallica nera nell’intercapedine che assorbe calore e aumenta la velocità dell’aria calda. L’aria calda sale, attraversa canali nella partizione orizzontale, entra nell’ambiente interno, si raffredda rilasciando calore e ritorna nell’intercapedine.

Questo sistema offre prestazioni superiori a quelle di un muro Trombe, ma ad un costo di installazione maggiore. Esteticamente, richiede attenzione a causa delle ampie superfici vetrate davanti a elementi scuri. Il flusso d’aria è controllato da saracinesche o valvole. Tuttavia, nell’edilizia residenziale recente, con altezze interpiano minime, l’adozione di questo sistema è impraticabile senza deroghe.

Collettori solari ad aria

I collettori solari ad aria sono installati lungo il perimetro dell’edificio e sfruttano i moti convettivi naturali per facilitare la circolazione dell’aria tra il collettore e gli ambienti interni.

Serre solari

Le serre solari (o bioclimatiche) uniscono le caratteristiche del guadagno diretto con quelle di un muro di accumulo. Funzionano come un sistema a guadagno diretto poiché sono riscaldate direttamente dai raggi solari e il calore viene trasferito all’ambiente adiacente tramite un muro termo-accumulatore. La radiazione solare è assorbita dal muro posteriore della serra, convertita in calore e una parte di esso viene trasmessa all’edificio.

Il funzionamento di una serra bioclimatica si basa sul concetto dell’effetto serra: si utilizza la radiazione solare per innalzare la temperatura interna alla struttura.

Nello specifico, l’energia della luce visibile attraversa il vetro che racchiude la serra, viene assorbita dagli oggetti contenuti nella serra stessa e poi riemessa con lunghezza d’onda maggiore (luce infrarossa) che non viene trasmessa all’esterno dal vetro. Il risultato è il riscaldamento all’interno della serra.

Sistemi solari passivi e attivi: differenze

Sono sistemi solari attivi quei sistemi legati alla presenza di impianti meccanici deputati alla captazione, all’accumulo ed alla distribuzione dell’energia termica, che svolgono le loro funzioni in maniera indipendente rispetto a forma e tecnologia dell’architettura vera e propria. Generalmente, i principali elementi del sistema sono collettori piani o a concentrazione e un accumulatore termico separato.

Un sistema attivo, invece, impiega impianti e dispositivi meccanici per raccogliere e trasportare il calore.

Si tratta di veri e propri impianti tecnologici in grado sia di accumulare, che di convertire e trasportare l’energia.

Differiscono dai sistemi solari passivi per le seguenti specificità:

  • il sistema di captazione, sia esso ad acqua o aria, è, generalmente, un componente modulare (collettore solare), di produzione industriale, composto da una lastra trasparente (generalmente, vetro), da un’intercapedine d’aria, da una lastra nera assorbente con sottostante strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati gli strati summenzionati;
  • il sistema di distribuzione è un vero e proprio circuito impiantistico, di pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria), che trasporta il fluido ai terminali di scambio termico, che possono essere radiatori tradizionali o serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto), nel caso di fluido acqua, ovvero ventilconvettori o bocchette d’aerazione nel caso di fluido aria.

 

TerMus-SR

 

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