Solar cooling prima parte

19.06.2013 18:47

 


1. INTRODUZIONE

In Europa il settore dell’edilizia civile è responsabile del 40% delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera, contribuendo notevolmente al surriscaldamento del pianeta dovuto all’effetto serra. Con la ratifica del Protocollo di Kyoto l’Italia si è impegnata a ridurre le proprie emissioni di CO2 del 6.3% entro il 2012. In realtà le emissioni sono aumentate di circa il 20%. Ciò si tradurrà nei prossimi anni in grosse somme che il Paese dovrà sborsare per pagare sanzioni o per comprare all’estero quote di riduzioni operate da altri paesi.

Scelte più responsabili nella progettazione e nella costruzione degli edifici, non solo civili, potrebbero quindi contribuire in maniera rilevante sia a salvaguardare l’ambiente, che a risparmiare denaro pubblico.

L’Unione Europea ha emesso la Direttiva 91 del 2001 sul rendimento energetico in edilizia nella quale detta i parametri per la legislazione nazionale. L’Italia ha recepito tale Direttiva con il Decreto legislativo n. 192 del 2005 e con successive modifiche e correzioni contenute nel DLgs n. 311 del 1° febbraio 2007.

Attualmente il Legislatore opera esclusivamente nella direzione della riduzione dei consumi dovuti al riscaldamento, ma il nostro territorio è contraddistinto anche da elevati consumi di elettricità durante il periodo estivo: la domanda di condizionamento infatti è sempre più in aumento, a fronte di esigenze di comfort estivo sempre più elevate.

Attualmente la realizzazione degli edifici tiene sempre meno in considerazione il problema del condizionamento estivo, mentre si va definendo una sempre maggiore sensibilità nei confronti del risparmio energetico per il riscaldamento invernale, che porta a progettare edifici con elevate superfici vetrate e quindi con problemi di surriscaldamento. Allo stesso tempo, mentre le tecnologie costruttive dei periodi precedenti all’introduzione delle pareti in laterizi forati e dei solai laterocementizi permettevano all’edificio di avere grandi capacità di accumulo disponibili per mitigare l’influenza dell’irraggiamento solare, tali tipologie sono state ora sostituite solo dal punto di vista tecnologico ma non progettuale; si ricorre di conseguenza al condizionamento estivo degli ambienti per mezzo di impianti di condizionamento con macchine frigorifere a compressione alimentate ad energia elettrica, causa principale dell’aumento della domanda di picco di potenza elettrica in estate, che, in numerosi casi, raggiunge la capacità limite delle reti.

L’emissione di gas ad effetto serra, che cresce con la produzione di energia o con la perdita di fluidi refrigeranti, aggrava ulteriormente il circuito vizioso legato al cambiamento climatico.

Per evitare l’impiego di tali impianti, inefficienti dal punto di vista energetico, si possono seguire due approcci:

 

- la progettazione del raffrescamento passivo: esiste ormai un’ampia scelta di tecnologie, sia per edifici in fase di progettazione, sia per quelli esistenti, utili per migliorare le condizioni di comfort interno senza dover ricorrere all’impiego di impianti di condizionamento dell’aria a compressione e per ridurre drasticamente il fabbisogno energetico estivo;

- la progettazione, la realizzazione e l’impiego di impianti di condizionamento ad energia solare che garantiscono ridotti consumi elettrici e che sono in grado di sfruttare l’energia solare ampiamente disponibile in periodo di condizionamento.

Questa brochure intende descrivere qualitativamente i due approcci. In modo particolare, si vuole evidenziare lo stato dell’arte delle tecnologie del “solar cooling” per la climatizzazione degli edifici. Si tratta infatti di un nuovo e promettente campo applicativo del solare termico, con sbocchi interessanti per il mercato nazionale ed europeo.

 

2. IL SURRISCALDAMENTO ESTIVO DEGLI AMBIENTI

Il surriscaldamento estivo è un problema che si verifica in gran parte degli ambienti abitati degli edifici distribuiti sull’intero territorio nazionale costruiti dal secondo dopoguerra; tale fenomeno si verifica anche in località con estati non particolarmente calde. Se il problema in alcuni casi si limita ad alcuni giorni dell’estate, nella maggior parte degli edifici è presente in determinate ore di tutti i giorni della stagione estiva. Il surriscaldamento provoca la percezione di malessere dovuto alla temperatura elevata maggiore di 28°C e la necessità di ricorrere al condizionamento dell’aria con l’installazione di impianti di condizionamento. Generalmente, all’elevata temperatura dell’aria si accompagna un’elevata umidità relativa dell’aria che aumenta la percezione del calore. Si ha quindi una condizione di malessere generata dal calore sensibile e dal calore latente.

Il calore sensibile è la somma degli apporti di calore che hanno come effetto l’aumento della temperatura del sistema oggetto di tale apporto; nel caso degli ambienti di un edificio, il calore sensibile durante la stagione estiva proviene dall’esterno attraverso vari contributi:

- irraggiamento solare attraverso le superfici opache (coperture, pareti e cassonetti) e le superfici trasparenti (finestre, porte finestre e lucernari);

- differenza di temperatura tra l’ambiente esterno e quello interno (apporti per trasmissione per conduzione attraverso le strutture);

- carichi interni, ovvero persone, macchine e in generale qualsiasi sorgente di calore (illuminazione, macchine, motori, ecc.).

Il calore latente, invece, è la somma degli apporti che concorrono ad aumentare il contenuto di vapore presente nell’aria, quindi dell’umidità, senza per questo aumentare la temperatura.

 

In ambito residenziale il calore latente di un ambiente ha un’importanza progettuale decisiva. L’eventuale inserimento di impianto di condizionamento e il consumo derivante dal suo impiego dipendono in parte dalla temperatura che si vuole ottenere (calore sensibile) e in parte dal processo di gestione dell’umidità (calore latente).

In particolare il calore latente deriva dalla produzione di vapore delle persone (attraverso la respirazione e la traspirazione) e da altre fonti che producono vapore (come, ad esempio, la cottura dei cibi). L’aria di rinnovo proveniente dall’esterno apporta sia calore sensibile, in forza della sua temperatura più elevata rispetto a quella ambiente, sia calore latente, in virtù del suo contenuto di vapore.

Le cause del surriscaldamento

Come avviene per la percezione del freddo anche la percezione del caldo è in parte influenzata dall’irraggiamento: irraggiamento delle strutture opache, soffitti, pavimenti e pareti surriscaldate per effetto del sole.

Si possono distinguere tre vie differenti con le quali il sole opera nel surriscaldamento degli ambienti:

- via diretta, ovvero il sole riscalda le pareti e le coperture e l’inquilino percepisce l’elevata temperatura delle superfici interne oggetto di irraggiamento (calore sensibile);

- via indiretta, ovvero l’energia solare entra dalle parti vetrate delle finestre e porte finestre e si accumula nelle strutture irraggiate direttamente (solitamente il pavimento); l’energia viene poi rilasciata all’interno dell’ambiente e lo surriscalda;

- per effetto della temperatura dell’aria entrante nell’ambiente.

È opportuno quindi intervenire dal punto di vista progettuale su tali aspetti.

 

3. IL CONTENIMENTO DEI CARICHI ESTIVI ATTRAVERSO IL RAFFRESCAMENTO PASSIVO

Descrizione delle possibili soluzioni di contenimento

Una volta riscontrata quale sia la causa principale del surriscaldamento, in funzione di questa si ipotizza la soluzione:

3.1. strutture trasparenti

elevato irraggiamento solare incidente sulle vetrate: per contrastare l’energia solare entrante è opportuno predisporre degli efficaci schermi esterni alle finestre tipo persiane otendaggi rigidi che riflettano il più possibile l’energia incidente e che tengano tale energia al di fuori degli ambienti; tendaggi interni o nel vetrocamera dei vetri sono poco efficaci perché l’energia è oramai all’interno dell’ambiente. Nei casi di vetrate ampie difficilmente schermabili è possibile operare con vetri riflettenti o selettivi; tali soluzioni comportano generalmente la perdita della completa trasparenza del vetro.

 

3.2. strutture opache

temperatura superficiale della copertura troppo elevata: è opportuno intervenire isolando

la copertura per diminuire l’energia entrante; bisogna impiegare materiali che abbiano buone capacità isolanti, ma anche buone capacità inerziali, ovvero che siano anche in grado di accumulare l’energia che transita verso l’interno. Altre soluzioni sono la realizzazione della ventilazione della copertura e l’impiego di materiali di rivestimento esterni che abbiano coefficienti di assorbimento solare molto bassi.

temperatura superficiale delle pareti troppo elevata: le operazioni che si possono compiere sulle pareti sono del tutto simili a quelle delle coperture.

Quindi, i coefficienti da governare sono lo sfasamento e l’attenuazione delle pareti.

3.3. risposta inerziale dell’edificio

La progettazione adeguata dei sistemi di oscuramento permette di minimizzare il passaggio di energia solare all’interno degli ambienti. Una volta però che l’energia è penetrata all’interno di un ambiente, uno dei sistemi per ridurne l’effetto negativo è accumulare tale energia in adeguate strutture capacitive. Per poter fare questo è opportuno che all’interno degli ambienti ci siano delle strutture con elevati valori di capacità termica. Strutture con una buona attitudine all’accumulo sono composte da materiali con elevata densità e un altrettanto elevato calore specifico. E’ possibile quindi operare nella direzione della risposta inerziale dell’edificio progettando la capacità termica interna di un determinato ambiente.

 

3.4. ventilazione

Scopo della gestione della ventilazione è la riduzione dei carichi interni. Vi sono diversi approcci alla ventilazione che può essere naturale, nel qual caso va favorita con la realizzazione di riscontro d’aria o meccanica, oppure controllata con aspirazione ed immissione.

La ventilazione naturale è tanto più efficace quanto maggiori sono le differenze di temperatura tra un affaccio e l’altro, se il flusso considerato è prevalentemente orizzontale. Per flussi verticali è necessario invece sfruttare l’effetto camino.

 

3.5. ventilazione notturna

Lo smaltimento del calore che si è accumulato all’interno dell’edificio può essere operato dalla ventilazione notturna. Un’adeguata progettazione della stessa permette infatti di sfruttare l’aria esterna con valori ridotti di temperatura per ridurre la temperatura dell’aria interna e le temperature superficiali interne delle strutture opache per mezzo del fenomeno convettivo di trasmissione del calore. E’ opportuno che oltre alla ventilazione, naturale o meccanica, vengano progettati anche i componenti dell’involucro di modo che i picchi oscillatori della temperatura superficiale si sviluppino nel periodo dedicato alla ventilazione notturna (vedi coefficiente di sfasamento temporale).

 

3.6. impiego del verde per mitigare il clima

E’ possibile agire nei confronti della riduzione dei carichi dovuti all’irraggiamento solare per mezzo della vegetazione; lo spazio esterno è infatti la prima barriera all’irraggiamento solare, barriera che consente di escludere dall’ambiente interno una buona parte dell’energia solare incidente nel periodo estivo. Il ciclo annuale della vegetazione inoltre è perfettamente coincidente con le richieste prestazionali di riduzione degli apporti in estate, ma è anche coincidente con le richieste di guadagni solari invernali.

 

3.7. carichi termici interni

I carichi interni non sono tanto uno strumento di progettazione quanto un invariante del sistema. Più che sulla quantità è quindi opportuno intervenire sull’efficienza come ad esempio nel caso dell’illuminazione.