Riscaldamento Passivo

I sistemi solari passivi sono dei modi costruire in grado d’influire sul riscaldamento di un edificio senza consumare energia “riscaldamento naturale“. Una casa alimentata unicamente da fonti passive è detta casa passiva. Sono anche detti sistemi di riscaldamento passivo naturale in quanto non sfruttano l’energia elettrica o il gas per raffreddare o rinfrescare un edificio.

Si tratta di semplici accorgimenti architettonici che sfruttano la natura ed i principi della termodinamica per trarre benefici climatici nell’ambiente dell’edificio in cui si vive. Una casa che usa un sistema di riscaldamento naturale, assicura il benessere termico senza impianto di riscaldamento tradizionale come la caldaia ed i termosifoni.
Questi sistemi combinano in maniera opportuna nel progetto architettonico quattro componenti fondamentali dell’edificio:

• superfici trasparenti
• capacità (muri, solai,…)
• coibentazione
• sistemi di schermatura, fissi o mobili

Nella tabella che segue vediamo le Classi di edifici distinte per livello di consumi:

I sistemi di costruzione per riscaldare gli ambienti in modo naturale sfruttano gli stessi principi anche per raffrescare gli ambienti. Puoi leggere il mio articolo sul raffrescamento passivo.

Progettazione Nzeb: sistemi di riscaldamento passivo naturale 

I requisiti della Progettazione Nzeb sono:

• Controllo dell’apporto energetico da soleggiamento estivo (sistemi di ombreggiamento naturali e artificiali).
• Sfruttamento dell’apporto energetico da soleggiamento invernale (orientamento e compattezza, aumento dell’inerzia termica dell’involucro, riduzione dispersioni).
• Protezione dai venti invernali.
• Ventilazione naturale estiva.

I componenti più importanti per il riscaldamento passivo sono i collettori, che captano l’energia solare e la trasformano in energia termica. Spesso sono costruiti con superfici trasparenti dotati di assorbitori e vengono orientati verso il sole. Tali componenti possono anche essere di colore scuro. Le masse di accumulo sono utili per immagazzinare il calore e ricederlo di notte.

I componenti di controllo regolano il corretto funzionamento dei sistemi solari passivi giornalmente e stagionalmente. Vedi nella foto l’esempio.
Nel progetto la conversione in calore, l’immagazzinamento e la distribuzione vengono svolte da elementi dell’edificio che svolgono anche altre funzioni: statiche, di chiusura, di illuminazione, ecc.
Nel complesso quindi si può dire che nella casa passiva ogni singolo componente non è messo li per caso. Siete d’accordo con me? ?

Riscaldamento Naturale Edificio: quali sono le tipologie? 

Sono diffuse 3 tipologie di tecniche di riscaldamento passivo naturale:

1. quelli a guadagno diretto: la radiazione solare attraversa lo spazio interno e viene poi immagazzinata nella massa termica interna all’edificio.
2. a guadagno indiretto: la massa di accumulo nelle pareti esterni immagazzina il calore e lo trasferisce allo spazio interno.
3. separato: la radiazione solare, raccolta in uno spazio separato, viene trasferita ad una massa di accumulo o distribuita nello spazio interno.

Ogni tipologia ha delle caratteristiche la contraddistinguono dalle altre per quanto riguarda l’efficienza. Inoltre alcune tipologie sono più facili da installare e/o utilizzare delle altre.

Sistema solare passivo a guadagno diretto (effetto serra)

Tra i sistemi di riscaldamento passivo usati quello più semplice è il metodo a guadagno diretto. In questo caso i raggi solari penetrano nell’edificio attraverso delle ampie vetrate disposte a Sud, che contribuiscono anche diffondere il calore. Esso viene, quindi, assorbito dalle superfici interne dell’abitazione: pareti, arredi e pavimenti. Di notte queste superfici cedono il calore accumulato giornalmente.
Questo principio della termodinamica è detto effetto serra.
La soluzione ideale richiederebbe una regolazione comandata da sensori di temperatura, locale per locale che consenta di cambiare l’erogazione del calore in funzione delle diverse condizioni.
Per rinfrescare l’ambiente invece di riscaldarlo, le vetrate possono essere schermate. Questo si può ottenere con oggetti, orizzontali e verticali esterni che riparano dai raggi solari.

Criteri generali progettazione riscaldamento passivo diretto:

• nei climi freddi con temperatura media invernale da –7 a 0°C occorrono da 0,19 a 0,38 m 2 di superficie vetrata per ogni m 2 di superficie abitata.
• nel clima temperato con temperatura media invernale da 2 a 7°C occorrono da 0,11 a 0,25 m 2 di superficie vetrata per ogni m 2 di superficie abitata.

Vantaggi:

• E’ il più semplice sistema di riscaldamento naturale e quindi il più facile da realizzare. In molti casi è possibile ottenere un analogo effetto ridistribuendo semplicemente le finestre.
• L’ampia superficie vetrata non consente soltanto l’ingresso di un’elevata quantità di radiazione solare per il riscaldamento passivo, ma permette di ottenere un elevato standard di illuminazione naturale assieme ad un migliore rapporto visuale con l’esterno.
• Le vetrate devono essere a doppio o a triplo vetro (per garantire una U=0,71 W/m 2 K).
• Il sistema può essere considerato uno dei metodi meno dispendiosi per il riscaldamento solare degli ambienti.

Svantaggi: 

• Grandi aree vetrate possono produrre abbagliamento di giorno e una perdita di privacy di notte.
• La radiazione ultravioletta contenuta nella radiazione solare può degradare tessuti e fotografie.
• Per raggiungere un elevato risparmio energetico sono necessarie ampie superfici vetrate e quindi grandi masse termiche per attenuare le variazioni di temperatura: queste masse possono essere economicamente non convenienti se non hanno funzioni strutturali.
• Anche con una massa termica adeguata si possono avere fluttuazioni della temperatura diurna intorno ai 10°C.
• L’isolamento notturno dell’apertura solare è sicuramente necessario per i climi più freddi e questo può risultare costoso e difficoltoso.

Riscaldamento naturale a guadagno indiretto: serre solari e muri di Trombe 

Questo include uno spazio chiuso separato dall’esterno grazie a delle pareti vetrate, massive o di acqua e collegato all’edificio tramite alcune aperture.
La radiazione non penetra direttamente negli ambienti perché viene intercettata dal collettore/assorbitore, che può essere di forma e natura molto diverse.  Il calore prodotto dalla conversione della radiazione solare raggiunge gli ambienti, con meccanismi (prevalentemente) naturali, anch’essi di tipo molto diverso.

Appartengono a questo gruppo i seguenti tipi di sistema:
– serre solari e muro di Trombe
– muro massivo
– roof pond (tetto d’acqua)

Serra Solare

La copertura può essere in vetrata trasparente od opaca, a seconda delle esigenze di termoregolazione del cliente. La serra solare serve per trasformare la radiazione solare in energia termica che viene immagazzinata all’interno della serra stessa. Comunemente le serre solari vengono realizzate anche accostando alla parete esterna dell’edificio un ambiente vetrato (mulo di accumulo).

Muro di Trombe

Il sistema a muri trombe consiste in una massiccia muratura con una superficie annerita e protetta da una lastra. La lastra, a doppio vetro, deve distare circa 5-10 centimetri di distanza dalla muratura, preferibilmente in laterizio. La radiazione solare viene intrappolata dietro il vetro e quindi trasformata in energia termica. Quest’ultima viene ceduta al muro termico dietro, dotato di aperture in basso e in alto per favorire il passaggio dell’aria. L’aria si riscalda ed entra nell’edificio tramite i buchi superiori, contribuendo a riscaldare l’interno della casa.

Muro Massivo 

Simili al muro di Trombe, ma privo di bocchette, e quindi senza termocircolazione. Il calore si trasmette solo per diffusione attraverso la parete, con una perdita di rendimento, ma senza i problemi progettuali connessi alla circolazione dell’aria.

Roof Pond

E’ un sistema in cui captazione ed accumulo sono rappresentati da volumi d’acqua collocati sul tetto dell’edificio. Questo ne limita l’applicabilità ai soli edifici a un piano. Non diffuso alle nostra latitudini per l’inclinazione solare. Dato l’ottimo comportamento estivo in presenza di elevati scambi radiativi notturni, è molto più usato in climi di tipo desertico.

Criteri generali progettazione riscaldamento passivo indiretto

• Nei climi freddi, con temperatura media invernale da –7 a 0°C, occorrono da 0.42 a 1 m 2 di parete solare rivolta a Sud per ogni m 2 di superficie abitata e da 0.31 a 0.83 m 2 nel caso di muro d’acqua.
• Con clima temperato con temperatura media invernale da 2 a 7°C occorrono da 0.22 a 0,6 m 2 di parete solare rivolta a Sud per ogni m 2 di superficie abitata e da 0.16 a 0.43 m 2 nel caso di muro d’acqua.

Vantaggi: 

• Abbagliamento, maggiore privacy e minori problemi legati al problema della degradazione ultravioletta dei tessuti.
• Le variazioni della temperatura nello spazio abitato sono più basse rispetto a quelle di un sistema a guadagno diretto.
• Maggiore semplicità nel dimensionamento del muro rispetto al caso di un sistema a guadagno diretto.

Svantaggi: 

• La superficie esterna del muro massivo è relativamente calda (poiché la trasmissione dell’energia attraverso il muro è lenta) e sente la vicinanza del clima esterno: ciò porta a considerevoli perdite di calore.
• Sono richieste due pareti rivolte a Sud, una vetrata e l’altra massiva, con le ovvie penalizzazioni in termini di costo e spazio impegnato.
• Disagi possono essere prodotti, all’inizio e alla fine della stagione del riscaldamento, dal surriscaldamento dell’aria (nel caso del muro Trombe) durante il giorno o da una radiazione termica incontrollata proveniente dalla superficie interna del muro, durante le serate calde; questi problemi possono essere controllati mediante la ventilazione.
• La necessità di una sufficiente massa termica deve essere mediata con i requisiti di visibilità e di illuminazione naturale dell’ambiente interno.
• Il progetto del muro Trombe deve consentire l’accesso per la pulizia della superficie vetrata.
• La condensa sulla superficie vetrata può essere un problema.

Sistema di Riscaldamento passivo a guadagno isolato

In un sistema a 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.

Il più comune tra questi processi di trasferimento dell’energia è una forma particolare di convezione conosciuta come effetto termosifone: l’aria viene 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, da cui il ciclo continua fintanto che il collettore rimane sufficientemente caldo.

Come funziona questo termosifone naturale?

Il sistema è caratterizzato da un collettore piano, di materiale leggero e protetto da una superficie vetrata che viene situato principalmente a Sud, separato e sottostante l’accumulo termico. Il flusso di aria calda è spinto dalla differenza di densità tra le due colonne di aria riscaldata e fredda e l’entità del moto dipende dalla differenza tra le temperature dell’aria nel collettore e nell’accumulo e dal dislivello tra i due.

Vantaggi:

• Abbagliamento, visuale e degradazione ultravioletta dei tessuti non sono un problema.
• Gli anelli convettivi costituiscono uno dei sistemi più economici per fornire calore solare.
• I collettori a termosifone possono essere separati dall’edificio per ottenere il massimo guadagno solare e possono essere facilmente integrati in edifici esistenti.
• Poiché il collettore è termicamente isolato dal resto dell’edificio, le perdite di calore di quest’ultimo sono minori rispetto agli altri sistemi passivi.

Svantaggi: 

• E’ richiesta un accurata progettazione e costruzione per assicurare isolamenti e flussi dell’aria efficienti.
• L’energia termica è fornita con aria calda: è più difficile accumulare calore dall’aria che non dalla radiazione solare diretta.
• Il collettore deve essere situato al di sotto dell’accumulo termico.
• Un sistema sovradimensionato può dar luogo a temperature troppo alte nei climi caldi, soprattutto quando si usa un accumulo isolato.
• L’efficienza del sistema. quando usato con accumulo distaccato, è discutibile nei climi freddi e nuvolosi.

Se hai qualche domanda o integrazione sul riscaldamento passivo posta un commento pubblico qui sotto. Sarò lieto di rispondere.

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