Casa Passiva

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A.3 Edificio Passivo

Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04

Per edificio passivo si intende un edificio in cui con opportune strategie di intervento si cerca di sfruttare le caratteristiche micro-climatiche (sole, vento, morfologia del terreno…) della zona in cui è situato l’edificio, per ottenere una riduzione dell’apporto di caldo o freddo interno altrimenti realizzabile per mezzo di impianti di climatizzazione.

In questa tipologia di edificio vengono utilizzati i così detti detti sistemi solari passivi, in grado di raccogliere e trasportare il calore del sole con mezzi non meccanici.

Edificio passivo

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Sistemi Attivi

• Elemento captante

• Conversione di energia solare in termica o elettrica

• Trasferimento meccanico o elettrico dell’energia ottenuta

• Eventuale accumulo dell’energia esterno al sistema captante

Museo dei Bambini Roma

Collettore a conentrazione

Wind Farm

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Sistemi passivi

Si sfruttano:

• Le proprietà termiche dei componenti della costruzione (inerzia, isolamento e proprietà del vetro)

• La differenza di densità dell’aria al variare della temperatura (effetto camino)

Progetto: Arch. A. Coletta (Anagni)

Progetto: Casa Verdone (Cassino)

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Criteri Fondamentali di progettazione nei climi temperati :

1. Orientamento dell’edificio: preferibilmente in direzione E-W con superfici vetrate esposte a Sud e riduzione delle aperture a Nord;

2. Forma: piuttosto che la classica pianta quadrata è preferibile una allungata lungo l’asse E-W;

3. Superfici vetrate: il più possibili ampie a sud, con apposite schermature mobili per ridurre i contributi della radiazione solare estiva;

4. Muri massivi: con una inerzia termica che permetta l’accumulo ed il rilascio di calore in tempi differenziati nell’arco del ciclo giorno/notte;

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La normativa europea definisce con “edificio passivo" un preciso standard energetico, attribuito a edifici che hanno un fabbisogno termico invernale inferiore alle 15 kWh/(m2anno), pari circa al 20% dell'energia consumata in un normale edificio residenziale.

Sono stati avviati progetti Europei:

•S.H.E. per la realizzazione di 714 edifici bioclimatici in Italia, Portogallo, Francia e Danimarca

•CEPHEUS per la realizzazione di 250 edifici bioclimatici in Svizzera, Francia, Germania ed Austria

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Nella progettazione si devono raggiungere 3 Obiettivi:

1. riscaldamento dell’edificio, soprattutto nei climi freddi, attraverso l'accumulo, la distribuzione e la conservazione dell'energia termica solare.Al fine di raggiungere questo scopo, le principali tecniche passive possono prevedere l‘uso di :

• muri termoaccumulatori (massa termica)

• di un ottimo isolamento

• di sistemi di preriscaldamento dell'aria

• di superfici vetrate esposte a Sud, come serre addossate all'edificio

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2. raffrescamento naturale di un edificio, grazie alla ventilazione naturale, alla schermatura e all'espulsione del calore indesiderato attraverso dissipatori di calore ambientali ( anche per mezzo di serpentine di scambio o scambiatori termici). Le principali tecniche passive impiegate per il raffrescamento prevedono soprattutto l'utilizzo di condotte d'aria interrate, di camini solari, di una buona massa termica, di una ventilazione indotta, di protezioni dall'irraggiamento diretto e di sistemi per la deumidificazione o per l'evaporazione dell'acqua.

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3. Un altro importante contributo passivo che si può ottenere dall'energia solare riguarda l'illuminazione diurna di un edificio, sfruttando sia la luce solare diretta sia quella diffusa. Per incrementare la luminosità e favorire la penetrazione della luce naturale all'interno degli edifici sono molto importanti l'illuminazione zenitale, le condotte di luce con specchi riflettenti, la capacitàdi diffusione luminosa dei materiali e i meccanismi per l'inseguimento solare.

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A seconda del modo in cui viene captata la radiazione solare, possiamo dividere in trecategorie i sistemi solari passivi:

Ø Guadagno diretto: la radiazione solare attraversa lo spazio interno e viene poi immagazzinata nella massa termica interna all’edificio (pavimentazioni…)

Ø Guadagno indiretto: la massa di accumulo nelle pareti esterni immagazzina il caloree lo trasferisce allo spazio interno

Ø Guadagno isolato: la radiazione solare, raccolta in uno spazio separato, viene trasferita ad una massa di accumulo o distribuita nello spazio interno

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Il Sistema a guadagno diretto è il più semplice ed è costituito da:

• un edificio ben isolato con ampie finestre rivolte a sud. Le finestre permettono la trasmissione della radiazione solare invernale, incidente con bassa angolazione. In estate l'elevata altezza del sole riduce l'insolazione trasmessa che con un aggetto opportuno si può anche escludere completamente.

• una massa termica per accumulare il calore durante il giorno e riemetterlodurante la notte. Questa massa termica è generalmente costituita da pareti in muratura un pavimento massivo con isolamento nell'estradosso.

Principio: La radiazione solare colpisce direttamente la massa termica e l'energia viene accumulata, riducendo così le fluttuazioni di temperatura dell'aria interna.

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La radiazione solare filtra dalle grandi aperture vetrate disposte a sud incidendo sulla massa termica costituita da pavimenti, muratura o solai.

Le vetrate in figura hanno due comportamenti differenti:

• la prima consente alla radiazione solare di colpire un'area concentrata di massa termica

• la seconda diffonde o riflette la luce solare in modo da distribuirla su una piùampia area di massa termica

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• nei climi temperati con temperatura media invernale da 2 a 7°C occorrono da 0,11 a 0,25 m2 di superficie vetrata per ogni m2 di superficie abitata .

Criteri di progettazione:

• nei climi freddi con temperatura media invernale da –7 a 0°C occorrono da 0,19 a 0,38 m2 di superficie vetrata per ogni m2 di superficie abitata .

Esempio:

Appartamento a Roma ( inverno 6 – 7° C) di 100 m2 dovrebbe avere unasuperficie vetrata esposta a sud di 25 m2 che con un altezza di interpiano di 2,70 m corrisponde ad una lunghezza di 9,25 m.

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Si possono far sporgere dal corpo di fabbrica spazi con coperture vetrate (serre) abitabili, se comunicanti con l'edificio tramite pannellature mobili (trasparenti o no),

oppure separate dall'edificio da un muro massiccio o contenente una massa d'acqua che faccia da accumulatore di giorno e da radiatore nelle ore notturne. In tal caso sono assimilabili ad un sistema a guadagno indiretto.

Progetto: Arch. A. Coletta (Anagni)

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Accorgimenti:

• Dimensionamento della massa termica: L'ampia superficie vetrata richiesta dagli edifici a guadagno diretto può produrre variazioni di temperatura troppo elevate all'interno del locale abitato: disponendo di un sufficiente accumulo termico, si può assorbire e accumulare l'energia in eccesso.

• Schermature (estivo): per evitare il surriscaldamento sono richiesti sistemi di schermatura della superficie vetrata. In estate un aggetto costituisce uno schermo adeguato, data la maggiore altezza del sole, mentre la ventilazione dei locali interni può ridurre l'eccessiva temperatura dell'aria.

• Schermature (invernale): per evitare perdite di calore in inverno o di notte ènecessario isolare la superficie vetrata: possono avere la loro efficacia pannelli mobili isolanti, tende o serrande.

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Vantaggi:

• Il guadagno diretto è il più semplice sistema di riscaldamento solare e quindi il piùfacile 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, ma permette di ottenere un elevato standard di illuminazione naturale assieme ad un migliore rapporto visuale con l'esterno

• le vetrate possono essere a doppio o a triplo vetro ( che garantisce un K fino a 0,71 W/m2K )

• il sistema può essere considerato uno dei metodi meno dispendiosi per il riscaldamento solare degli ambienti

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Difetti:

• 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 costose, 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 piùfreddi e questo può risultare costoso e difficoltoso

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I Sistemi a guadagno indiretto possono essere classificati in due categorie:

• Muro Solare: muro di Trombe e massivo

• Roof-pond (tetto d’acqua)

Muro di Trombe Tetto d’acqua

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Muro solareI sistemi a muro solare possono essere di tipo massivo o di Trombe. In entrambi la massa termica per l'accumulo è costituita da una parete rivolta a sud realizzata in muratura o in calcestruzzo,verniciatura con colori scuri con la superficie esterna protetta da una vetrata per ridurre le dispersioni di calore.

La differenza

• muro massivo non vi sono aperture

• muro di Trombe sono praticate aperture di aerazione, sia nella parte bassa che in quella alta della parete, per permettere la circolazione dell'aria attraverso lo spazio riscaldato.

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Vengono mostrate le manovre da effettuare in inverno e in estate per sfruttare al meglio il Muro di Trombe:

Inverno

• giorno le aperture di aerazione interne vengono alzate per permettere il passaggio dell’aria fredda che dal basso si riscalda e sale ( per effetto camino) per tornare nella stanza più calda.

• notte le aperture interne vengono chiuse per impedire che l’aria ceda calore a contatto con la superficie vetrata più fredda.

N.B.: Le aperture di aerazione esterne sono sempre chiuse.

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Estate

• giorno vengono chiuse le aperture interne per impedire all’aria interna di surriscaldalsi, mentre vengono aperte quelle esterne per drenare il calore accumulato.

• notte vengono aperte le aperture interne per fare in modo che l’aria interna si raffreshi a contatto con il vetro esterno.

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Criteri di progettazione

• Superficie vetrata rivolta a Sud

• massa termica (muro in muratura, calcestruzzo o acqua) posta a 10 cm circa dalla superficie vetrata

• muro di solito dipinto di scuro, accorgimento che permette al muro di assorbire maggiormente la radiazione solare incidente

• le aperture di aerazione sono nella misura di 1 m2 per ogni 100 m2 di superficie di muro

84%Rosso

90%Blue

95%Nero

AssorbimentoColore

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• è possibile sostituire il muro con una parete d’acqua, essendo questa molto più efficiente della muratura, 1 m3 di acqua è in grado di accumulare 1000 Kcal per ogni °C di aumento di temperatura, il muro ne assorbe 450 Kcal per ogni °C di aumento di temperatura. La differenza però è anche nel fatto che il calore nell’acqua viene trasmessa velocemente cosa che non accade nella muratura.

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Dimensionamento del muro

I fattori che maggiormente influenzano le sue dimensioni sono:

• il clima maggiore è la differenza di temperatura interno esterna maggiore devono essere le dimensioni del muro, per garantire un maggiore accumulo termico

• la latitudine tanto più è la latitudine nord dell’edificio tanto deve essere maggiore il muro

• dispersione termica delle superfici un edificio ben isolato richiede una quantità minore di calore quindi una muratura più piccola

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Si può comunque dire che:

• nei climi freddi con temperatura media invernale da –7 a 0°C occorrono da 0.42a 1 m2 di parete solare rivolta a sud per ogni m2 di superficie abitata e da 0.31 a 0.83 m2 nel caso di muro d’acqua.

• nei climi temperati con temperatura media invernale da 2 a 7°C occorrono da 0.22 a 0,6 m2 di parete solare rivolta a sud per ogni m2 di superficie abitata e da 0.16 a 0.43 m2 nel caso di muro d’acqua.

Esempio:

Nel caso precedente di un appartamento di 100 m2 a Roma, la superficie della parete solare dovrebbe essere di 22 m2. Considerando l’altezza dell’in

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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

• il ritardo nel tempo tra assorbimento dell'energia solare e rilascio nell'ambiente dell'energia termica può essere utile per integrare disponibilità energetica e modelli occupazionali

• maggiore semplicità nel dimensionamento del muro rispetto al caso di un sistema a guadagno diretto

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Difetti:

• 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 e quindi di efficienza.

• 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;

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Roof-PondIn questo tipo di sistemi la massa termica è posta sulla copertura piana dell’edificio, di solito vengono utilizzati materassi d’acqua coprenti parte o tutta la copertura.

Inverno:

L’acqua è esposta alle radiazioni solari durante il giorno ed isolata per mezzo di panelli durante la notte, il calore accumulato è irradiato direttamente dal soffitto all’ambiente.

Estate:

L’acqua è protetta durante il giorno da pannelli isolanti tolti durante la notte per consentire il raffreddamento. Inoltre l’acqua, raffreddatasi durante la notte, è pronta ad assorbire il calore dell’ambiente sottostante durante la il giorno.

Tetto d’acqua

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Vantaggi:

•il tetto d'acqua è la soluzione opportuna nel giusto clima, particolarmente alle basse latitudini con climi secchi, dove è richiesto sia riscaldamento che raffrescamento;

• il sistema permette di realizzare un microclima interno stabile ed uniformemente distribuito;

• le fluttuazioni di temperatura nell'edificio possono essere basse;

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Difetti:

• il trasferimento di calore sotto forma radiativa vuole che con questo sistema si possano riscaldare edifici ad un solo piano o l'ultimo piano di un edificio multipiano. Lo specchio d'acqua deve coprire almeno la metà del soffitto, se si vuole raggiungere un risparmio energetico significativo;

• la pesante massa d'acqua sopra il soffitto impone maggiori requisiti e costi strutturali e può essere psicologicamente inaccettabile, soprattutto nelle zone sismiche;

• il sistema non è valido per i climi in cui la neve è frequente;

• la bassa angolazione dei raggi solari in inverno suggerisce che il sistema non è valido per le alte latitudini, a meno che non sia inserito in un tetto inclinato, ma anche così la sua efficienza è discutibile;

• il tetto d'acqua richiede un'attenta progettazione e realizzazione.

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Sistemi a Guadagno IsolatoIn questo tipo di sistemi la captazione dell’energia e l’accumulo termico possono essere separati dagli ambienti, dell’edificio si hanno due tipi di sistemi:

• Termosifone: sfrutta l’effetto camino.

• Sistema Barra –Costantini: molto simile al muro di trombre

Sistema a termosifone Sistema Barra-Costantini

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Termosifone:Gli elementi base di tale sistema comprendono:

• collettore con piastra assorbitrice ed una massa d'accumulo termico distaccata. Il calore solare assorbito da una superficie metallica di colore scuro, riscaldata l'aria che quindi si eleva naturalmente per poi entrare nell'accumulo termico. Il calore accumulato viene poi distribuito nell'aria ambiente per convezione.

• massa d'accumulo termico può essere situata sotto il pavimento dell'edificio, sotto le finestre o in elementi di tamponamento prefabbricati.

Nel collettore posso essere inserite superfici selettive migliorando l'assorbimento e l'efficienza del collettore stesso, in quanto si riducono le perdite radiative e quindi aumenta la temperatura superficiale della piastra assorbitrice.

Sistema a termosifone

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Vantagi / Difetti:

• abbagliamento, visuale e degradazione ultravioletta dei tessuti non sono un problema

• 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

• è richiesta un accurata progettazione e costruzione per assicurare isolamenti e flussi dell'aria efficienti

• l'efficienza del sistema. quando usato con accumulo distaccato, è discutibile nei climi freddi e nuvolosi

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Sistema Barra-CostantiniParticolare tipo di collettore a termosifone è stato sviluppato da O. Barra e T. Costantininel sud dell'Italia, sistema ha un pannello metallico nell'intercapedine fra la vetratura e il muro. Il pannello riscaldandosi, cede calore all'aria che con un sistema di aperture valvolate raggiunge i canali nei solai.

In Estate ad esempio le aperture sulla vetrata permettono la fuoriuscita dell’aria calda, richiamando così aria dai locali posti sul lato in ombra, permettendo l’entrata di aria fresca da aperture nei lati in ombra .

sistema Barra-Costantini

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Albergo di ghiaccio

Ice Hotel: Canada

Ice Hotel: Svezia

Esempio estremo di architettura bioclimatica è rappresentato dall’ice hotel, un albergo quasi completamente in ghiaccio, che ha la durata di una stagione invernale da ottobre a dicembre.

La costruzione si articola in tre fasi:

• realizzazione struttura portante metallica in estate

• produzione di mattoni di ghiaccio che serviranno per costituire le pareti

• fase in cui si lavora sul ghiaccio per creare forme, oggetti, elementi di arredo.

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La temperatura all’interno delle camere si assesta intorno ai -5°C, accettabile, quindi, rispetto a quella esterna può arrivare a -30°C.

L’edificio è costituito da 3000 tonnellate di ghiaccio e 30.000 metri cubi di neve

Ice Hotel: SveziaIce Hotel: Svezia

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Limiti:

Ø Costi maggiori di investimento ( ~ il 10%) a fronte di risparmi sulla gestione

Ø Limitata libertà di configurazione degli spazi;

Ø Tipologia edilizia preferibilmente monofamiliare, bifamiliare

ØDispersione dovuta ai muri perimetrali(a cui sono riferiti i costi maggiori)

ØQuantità d’aria di rinnovo, si introduce di solito da 0,5-1 volume/ora di aria presa dall’esterno

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