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L’influenza della radiazione solare sul comportamento energetico degli edifici – teoria e “numeri”
Abbiamo visto che con Vasari è possibile calcolare la radiazione solare che giunge sulle superfici delle masse in analisi. Vorrei soffermarmi sul perché questo dato è così importante per una prima analisi degli edifici che stiamo progettando, e come ne influenzerà il comportamento una volta realizzati.
Innanzitutto, cos’è la radiazione solare? Noi tutti sappiamo che l’energia termica può essere trasferita da un corpo ad un altro tramite conduzione, convezione e irraggiamento. L’irraggiamento definisce l’emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo che, in questo caso, è il sole. L’energia trasmessa dal sole è tale da giungere sulla terra e trasmettere calore ai corpi che investe. La quantità di flusso che giunge su un corpo, per unità di tempo e superficie, si chiama irradianza, e si misura in W/m2 .
La potenza che investe una determinata superficie varia secondo una serie di parametri, che sono:
- La posizione geografica
- L’ora ed il giorno
- Le condizioni atmosferiche
- Orientamento e posizione della superficie stessa.
[picture by GlacierTim]
[picture by magnetisch]
Questo perché altri due fattori importanti sono l’incidenza dei raggi sulla superficie (la maggior potenza si ha quando i raggi sono perpendicolari) e la maggiore o minore presenza di ostacoli che riflettono in parte i raggi solari (ad esempio le polveri presenti nell’atmosfera che devono attraversare, o le nuvole).
L’irradianza, dunque, è la potenza che investe un metro quadrato di superficie in un dato istante. Sommando fra loro le potenze che variano istante per istante, o meglio, facendo l’integrale della funzione IT, cioè dell’irradianza rispetto al tempo, si ottiene la radiazione solare, che esprime la quantità di energia che avrà raggiunto un metro quadrato di superficie in un determinato tempo, che può essere un’ora, un giorno, un anno. L’unità di misura della radiazione solare sarà dunque Wh/ m2. A seconda della quantità di tempo espresso si avrà: Wh/ m2 giorno, oppure Wh/ m2 anno, etc.
Abbiamo detto quindi che l’irradianza è una potenza, esprime dunque un valore di intensità istantaneo, mentre la radiazione è un valore cumulativo, che racconta quanta energia è giunta in un certo intervallo di tempo. Un utile confronto per comprendere meglio questi due valori può essere quello con il moto: se parlassimo di un corpo che si muove nello spazio, avremmo che l’irradianza sarebbe la velocità (km/h) e la radiazione la strada percorsa (km).
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre (o qualunque altra superficie) può essere divisa in:
- Radiazione diretta
- Radiazione diffusa
- Radiazione riflessa
[picture by Damian Bere]
A seconda delle condizioni viste in precedenza (condizioni atmosferiche, etc.) La proporzione fra radiazione diretta e diffusa può variare, come si vede in questa immagine:
La somma dei tre fattori visti sopra determina la radiazione incidente su una certa superficie, che è il valore che possiamo leggere in Vasari. E’ un valore che può interessarci in due diversi casi: Se stiamo progettando un sistema di pannelli solari o fotovoltaici; se stiamo progettando un edificio e vogliamo comprenderne il comportamento passivo, o avere un’idea qualitativa dell’impatto che avrà l’irraggiamento sui carichi termici estivi ed invernali.
Quando parliamo di involucro, l’ammontare di energia incidente sarà poi in parte riflessa, in parte assorbita e trasmessa (in caso di superfici trasparenti) dalle superfici dell’edificio, secondo questa relazione:
100% incidente – riflessa = assorbita + trasmessa
Quanta energia sarà riflessa dipende fondamentalmente dal colore della superficie. Un muro bianco rifletterà molta più energia rispetto ad un muro nero, che invece tenderà ad assorbirla.
Dell’energia assorbita poi, la quantità che passerà attraverso la parete dipenderà dalla conformazione della parete stessa, e dunque dalla sua capacità di attenuare (isolare) o sfasare (attraverso la massa) l’onda termica.
Perciò il valore della radiazione solare incidente che ci dà Vasari da solo non basta, come è ovvio, a determinare quale sarà il comportamento energetico di un dato edificio. Quello che però ci consente di fare, ed è il motivo per cui Vasari è utile in fase di concept del progetto, è di utilizzare quei dati per influenzare le scelte progettuali in termini di orientamento degli edifici, superficie disperdente (quanto compatto è l’edificio), stratigrafia e finitura dell’involucro, presenza e dimensione delle superfici vetrate, posizionamento di eventuali schermature.
[picture by bunchofpants]
Al di là dell’aspetto qualitativo, che Vasari esprime attraverso una scala cromatica di facile lettura, è importante soffermarci sui dati quantitativi, per comprendere meglio cosa significa il valore numerico che viene fornito.
Come sappiamo, il flusso di energia termica che passa attraverso una parete è dato dalla formula:
H * S * DT
Dove:
- H è la Trasmittanza della parete in esame
- S è la superficie della parete
- DT è la differenza fra la temperatura interna e quella esterna.
Mentre la trasmittanza e la superficie di una data parete sono parametri geometrici e costruttivi, che peraltro non cambiano nel tempo, la differenza di temperatura è variabile, ma non solo: utilizzare come dato la temperatura dell’aria esterna per calcolare il flusso termico è sensato se la parete è in ombra. La radiazione solare incidente infatti, determina un flusso di calore maggiore rispetto a quello che avremmo per il solo contatto con la temperatura dell’aria esterna. Per questo in fisica tecnica si utilizza il concetto di temperatura fittizia, o temperatura aria-sole, che possiamo utilizzare, nella formula precedente, al posto della temperatura dell’aria esterna. In realtà per i calcoli dei carichi termici estivi si usa un parametro ancora differente, la temperatura equivalente, che tiene conto anche della massa muraria della parete, ma vorrei semplificare il più possibile la teoria, per mostrare meglio la relazione fra i diversi parametri.
La radiazione solare scalda la superficie esterna dell’involucro, aumentando la differenza di temperatura fra interno ed esterno, e dunque il flusso termico.
La temperatura fittizia è funzione del colore di finitura della parete (più è scura, più assorbe calore, quindi “si scalda”) e della radiazione solare incidente, e si calcola con la seguente formula (semplificata):
Tf = Te + (a * I / 20)
Dove:
- a dipende dal colore della superficie,
- I è l’irradianza solare
I grafici seguenti mostrano come varia la temperatura fittizia (Tas) rispetto a quella dell’aria esterna, a seconda dell’orientamento della superficie irraggiata. Come si può notare, lo scarto in alcuni casi è davvero notevole.
Per renderci conto un po’ meglio, proviamo a fare anche un esempio “numerico” molto semplificato. Poniamo di avere una superficie esposta a sud, con trasmittanza H = 0.40 W/m2K, tinteggiata all’esterno con un colore scuro.
In questo caso, la temperatura fittizia alle ore 12:00 di un giorno di giugno sarebbe calcolata in questo modo:
25 + (0.8 * 541 / 20) = 46.6
La temperatura dell’aria esterna che abbiamo considerato è 25 gradi, ma con il contributo dell’irraggiamento (I = 541 W/m2) e del colore scuro (a = 0.8), la temperatura fittizia è di 46.6 gradi.
Perciò, nel calcolare il flusso termico attraverso la parete, anziché avere una differenza di temperatura di cinque gradi (ipotizzando di averne 20 all’interno, anche se per l’estate è un valore eccessivamente basso), questa sarà di 26.6 gradi.
Questo vuol dire che, nella formula per calcolare il flusso di calore attraverso l’involucro, avrò due condizioni molto diverse fra loro, a seconda che la parete sia all’ombra o al sole: trasmittanza e superficie verranno infatti moltiplicate o per 5, o per 26.6. Quindi ipotizzando 1 metro quadrato di parete avremo:
- All’ombra: 0.4 * 1 * 5 = 2 W
- Al sole: 0.4 * 1* 26.6 = 10.64 W
È un valore cinque volte più elevato.
Ipotizzando la parete bianca invece, avremmo a = 0.3, dunque una temperatura fittizia di 33.1 gradi, e dunque un DT pari a 13.1 gradi, circa la metà che con il muro scuro. Anche il flusso termico, di conseguenza, sarà la metà, ovvero 5.24 W per ogni metro quadrato di superficie.
Dal momento che il flusso termico attraverso l’involucro va ad incidere direttamente sull’ammontare di energia che serve per climatizzare la casa, si può immaginare quanto incida un valore che può variare in modo così ampio.
Prima dell’avvento di software di simulazione come Vasari, fare questo tipo di considerazione era molto più complesso. I dati sull’irraggiamento andavano infatti cercati su delle tabelle, come ad esempio quelle sulla norma UNI EN ISO 10349, oppure sul sito dell’Enea che si è occupato di raccogliere i dati in giro per l’Italia.
Ora che i dati sono raccolti all’interno di database digitali, leggibili da software come Vasari, le valutazioni sono molto più accessibili e comprensibili. Questo ci responsabilizza, poiché siamo tenuti a tenerne conto!
Come dicevamo in precedenza, la visualizzazione di base di Vasari, per quanto riguarda la radiazione solare, è molto intuitiva, ma per lo più qualitativa. Bisogna fare attenzione, inoltre, a confrontare la scala cromatica con quella numerica espressa in legenda, poiché i valori massimi e minimi cambiano a seconda della simulazione, mentre il range cromatico rimane lo stesso.
Per avere dati più certi, si possono intraprendere due strade: la prima è quella di esportare i dati con un file CSV ed aprirlo in excel:
La seconda è quella di utilizzare un nuovo stile di visualizzazione personalizzato, in particolare il seguente, con i punti e i valori numerici, così che si possa leggere il dato preciso direttamente sulla superficie. Per rendere possibile la lettura bisognerà abbassare il livello di precisione del calcolo, che abbassa il numero di punti su cui viene fatta la misurazione.
A questo riguardo mi spiegherò meglio più in là, nel frattempo, vi consiglio una lettura utile per comprendere come lavora Vasari, e come usarlo in maniera sensata, per quanto riguarda la radiazione solare, a questo link.
Buon lavoro a tutti!