La terra in cui viviamo non ce l'hanno regalata i nostri padri, ma ce l'hanno prestata i nostri figli.

Analisi CFD per la ventilazione naturale

Relazione e Calcolo del guadagno energetico di spazi soleggiati [parte 1]


L’articolo nasce dall’esigenza di progettare, relazionare e calcolare uno spazio soleggiato (o serra bioclimatica come solitamente si preferisce chiamarlo) non convenzionale, ovvero che abbia una direttrice d’asse a 90° (rivolto, quindi, ad ovest) rispetto al sud della volta celeste. Ecco quanto relazionato e dimostrato, sperando che l’articolo susciti dibattito di crescita professionale.

Premessa

La realizzazione di uno spazio soleggiato, ossia di un ambiente non riscaldato posto in adiacenza ad una zona a temperatura controllata in cui sia presente una parete divisoria opaca tra il volume interno all’edificio e quello soleggiato ad esso esterno senza aperture permanenti, sono una tecnologia passiva per il controllo dei flussi termo-igrometrici attraverso l’edificio e si basano sull’utilizzo dell’energia rinnovabile data dalla radiazione solare per contribuire al miglioramento del comfort abitativo ed al contenimento dei consumi energetici sia nel regime invernale che estivo.

I benefici di uno spazio soleggiato addossato, dal punto di vista energetico, si possono riassumere in tre punti:

  • Riduzione della dispersione di calore, verificata calcolando la quantità totale di energia trasferita per trasmissione attraverso lo spazio soleggiato;
  • Apporti solari diretti, verificati calcolando l’apporto solare diretto dovuto alla radiazione solare che passa dallo spazio climatizzato ed arriva all’ambiente a temperatura controllata;
  • Apporti solari indiretti, verificati calcolando la quantità di energia solare trasferita all’ambiente a temperatura controllata dovuta a spazi soleggiati;

 Questi benefici garantiscono il guadagno energetico durante la stagione invernale dovuto alla presenza degli spazi soleggiati. Tale parametro e le successive elaborazioni di calcolo sono state svolte sia in regime stazionario, per un raffronto diretto tra normative di riferimento, sia in regime dinamico, per una miglior valutazione nei periodi e nei giorni scelti come riferimento. Per meglio studiare il comportamento estivo dello spazio soleggiato progettato, e simulare i flussi riguardanti la ventilazione naturale, si è ritenuto opportuno svolgere altresì una analisi di Fluido-Dinamica Computazionale (CFD).

Criteri e scelte progettuali

L’idea progettuale prevede la realizzazione di uno spazio soleggiato, costituito da un volume vetrato posto sulla terrazza di copertura del piano sottostante,  addossato al perimetro dell’edificio e che pertanto condivide con questo la superficie orizzontale ed una delle quattro superfici verticali che lo definiscono. La conformazione architettonica dell’edificio esistente rende obbligata la scelta di orientare l’asse dello spazio soleggiato a +90° (ovest) rispetto al sud della volta celeste, creando, quindi, un problema per il regime di funzionamento estivo diurno ed una scarsa captazione della radiazione solare nella sua componente diretta. L’obbligatorietà di queste scelte basilari ha portato ad una progettazione mirata di ogni singolo componente per massimizzare il guadagno energetico durante la stagione invernale e non avere un effetto di surriscaldamento dello spazio nella stagione estiva

Diagramma a farfalla degli ombreggiamenti valutato nel periodo invernale: 21 dicembre

Diagramma a farfalla degli ombreggiamenti valutato nel periodo estivo: 21 luglio

I principi dinamici di funzionamento dello spazio soleggiato progettato sono stati valutati in funzione della relazione esistente tra il punto di captazione e produzione del calore ed il luogo di effettivo utilizzo, nonché in base al sottosistema di distribuzione, pertanto la scelta impone un sistema a guadagno indiretto a scambio radiante in cui il calore viene generato in uno spazio adiacente all’ambiente abitato in cui la superficie di divisione è costituita da una superficie ad accumulo non isolata in modo da attivare uno scambio di calore radiativo con l’ambiente retrostante.  Una delle dinamiche fondamentali è rappresentata dall’andamento climatico ciclico giornaliero dove la radiazione solare presenta, nella giornata media, un andamento simmetrico rispetto alle dodici ore solari, mentre l’andamento termico dell’aria esterna presenta una curva simile a quella della radiazione ma sfasata di qualche ora. Tale sfasamento è dovuto all’inerzia termica della superficie terrestre e dell’atmosfera. Similmente all’interno di uno spazio soleggiato con involucro completamente trasparente, come quello progettato, l’andamento della temperatura dell’aria segue un andamento simile a quello dell’aria esterna raggiungendo però temperature più elevate durante le ore di sole e conservando più a lungo una temperatura elevata anche dopo il periodo di irraggiamento dato dal fatto che non vi è scambio d’aria fra l’interno e l’esterno. Questo fenomeno può generare situazioni di eccessivo calore durante le ore di massima insolazione e situazioni di insufficienza termica dopo pochi minuti dal termine dell’irraggiamento. Per ottenere una migliore distribuzione del calore nell’arco della giornata è opportuno aumentare l’inerzia della serra utilizzando masse di accumulo in grado di assorbire energia termica quando questa è più intensa per cederla poi gradualmente per irraggiamento o convezione. Il progetto, a causa del limite di orientamento imposto dall’esistenza e dalla conformazione architettonica dell’edificio, non può sfruttare tutte le masse con accumulo a parete esistenti rivolte ad ovest poiché non direttamente esposte alla radiazione solare diretta come dimostrato nella figura seguente:

Diagramma stereografico della radiazione solare diretta sulla parete di accumulo verticale

mentre è possibile sfruttare l’accumulo a pavimento in grado di assorbire la maggior quantità possibile di energia durante lo ore maggiormente soleggiate e di restituirla gradualmente con circa 6,29 ore di ritardo all’ambiente sottostante, ovvero nei momenti di maggior fabbisogno termico coincidente con le ore serali, avendo infatti una massa superficiale di 586 Kg/m2, una conduttività  di 1,225 W/m2K, una capacità termica di 34,03 KJ/m2K ed una assorbanza indicativa del 60-65 %. La conformazione allungata dello spazio soleggiato in progetto ha permesso la realizzazione di una parete di accumulo centrale con massa superficiale di circa 300 Kg/m2, capacità termica 44,67 KJ/m2K ed una assorbanza indicativa del 75-80%, rivolta a sud con funzione di volano termico e quindi in grado di aumentare e sfasare la temperatura interna dello spazio soleggiato sfruttandolo come spazio tampone.

Radiazione solare assorbita nel giorno medio mensile sulla parete di accumulo centrale

Un altro fenomeno da prendere in considerazione, particolarmente rilevante per la zona in esame, oltre all’andamento delle temperature ed all’intensità della radiazione incidente è quello delle nebbie e delle foschie. La frequenza di giorni con nebbia è rilevante in alcuni mesi dell’anno compromettendo la disponibilità di radiazione diretta utile per il riscaldamento dello spazio soleggiato, riducendo marginalmente il rendimento nei mesi tipicamente già caratterizzati da scarsa radiazione, quali i mesi autunnali ed invernali. Durante queste giornate la volta celeste appare molto luminosa e l’intensità della radiazione diffusa può arrivare fino ad ½ della componente diretta, inoltre la radiazione sembra provenire con discreta intensità da tutti i punti della volta celeste. Osservando i dati climatici di Cremona si nota come in inverno l’apporto medio mensile della radiazione diffusa, in particolar modo sul piano orizzontale, sia grossomodo equivalente all’apporto fornito dalla radiazione diretta come mostrato nel diagramma di seguito:

Radiazione solare incidente (rossa), diretta (tratteggio giallo) e diffusa (punteggiata gialla), 21 dicembre

Per i giorni di interesse, nel periodo invernale si riportano i valori:

Queste considerazioni hanno indirizzato la progettazione dello spazio soleggiato nella scelta di una copertura vetrata trasparente in modo da sfruttare al meglio la radiazione diffusa proveniente dall’intera volta celeste che diventa, in queste situazioni, la principale forma di radiazione solare. Tale scelta ha tuttavia evidenziato  nelle ore notturne una maggiore dispersione energetica con conseguente riduzione della temperatura interna allo spazio soleggiato. Si è deciso quindi di utilizzare una copertura vetrata trasparente con basso valore di trasmittanza Ug ed alto valore di trasmissione solare g con trattamenti low-e in modo tale da massimizzare il vantaggio nella captazione e ridurre drasticamente lo svantaggio dell’eccessiva dispersione.

Radiazione solare incidente media invernale sullo spazio soleggiato (vista sud-ovest)

Radiazione solare diretta media invernale sullo spazio soleggiato (vista sud-ovest)

Radiazione solare diffusa media invernale sullo spazio soleggiato (vista sud-ovest)

L’analisi qualitativa svolta fin’ora riduce l’importanza di orientare l’asse dello spazio soleggiato completamente a sud aumentando l’interesse di scelte progettuali relative a forma e tipologia dello spazio soleggiato.

Nella realizzazione uno spazio soleggiato addossato all’edificio, la profondità dello stesso, quando contenuta in certi limiti (da 1 a 4 metri), non risulta essere un parametro estremamente importante. In questo caso la progettazione ha tenuto conto dell’importanza di avere una massa di accumulo centrale ed una superficie coperta vetrata maggiori possibili per sopperire al vincolo di orientamento dell’asse sfavorevole e, pur rimanendo in certi parametri riscontrabili in letteratura (si cita Edward Mazria, Sistemi Solari Passivi, 1980), il pre-dimensionamento effettuato ha trovato ottimi riscontri in fase di analisi, come riportato in seguito nella presente relazione.

Operando in climi piuttosto rigidi ed in presenza di condizioni di irraggiamento caratterizzate da scarsa radiazione invernale, lo spazio soleggiato, come già asserito in precedenza, ottiene il suo massimo vantaggio come spazio tampone, optando perciò per la massima funzione isolante dell’involucro trasparente verticale utilizzando vetrocamere con valori di trasmittanza Ug pari o inferiori ad 1,1 W/m2K e valori di trasmissione solare g pari al 70% utilizzando trattamenti basso-emissivi in modo da ridurre ulteriormente le dispersioni radiative. In virtù di quanto appena esposto la scelta dei telai si è focalizzata sull’utilizzo di alluminio a taglio termico con bassi valori di conduttanza lineica, indicata in 0,20 W/mK, massimizzando l’area netta dei vetri, riducendo quindi la dimensione dei telai.

Particolare attenzione progettuale, oltre al tipo di serramento, è stata data all’apribilità delle specchiature nonché al loro formato. Tale aspetto risulta infatti di fondamentale importanza per l’efficienza estiva del sistema poiché cardine nella progettazione della ventilazione naturale. Le ridotte dimensioni in altezza dello spazio soleggiato, dovute a vincoli architettonici, hanno portato alla scelta di trascurare l’effetto camino, e quindi di non posizionare aperture nella copertura trasparente, poiché il dislivello minimo di 2 metri fra i baricentri delle aperture di entrata e quelle di uscita non è possibile e pertanto non si innescherebbe il moto d’aria ascensionale cercato. Per una maggior efficienza, in modo da garantire nei mesi estivi una temperatura dell’aria interna allo spazio soleggiato mai superiore a quella esterna, sono state collocate aperture nei due sensi, trasversale e longitudinale all’asse dello spazio soleggiato, in accordo con l’analisi della frequenza dei  venti nella stagione estiva riportata in Fig. 14 dalla quale si evince una prevalenza di venti nella direzione sud-ovest, ideale per il raggiungimento di quanto programmato. Il progetto prevede, inoltre, che le aperture di uscita siano maggiori di circa 1,7 volte rispetto a quelle di entrata (sempre rispetto alla sovrappressione data dalla direzione di vento con maggior frequenza) innescando un moto d’aria più veloce all’interno dello spazio soleggiato sfruttando l’effetto Venturi.

Frequenza dei venti per la zona di Cremona nella stagione estiva

Temperatura dei venti nel periodo estivo per la zona di Cremona

Dal grafico si nota coma la direzione prevalente dei venti nella stagione estiva sia sud-ovest con una velocità compresa fra i 3 ed i 5 m/sec, classificati quindi come brezza leggera secondo la scala Baufort, ma tali da creare una sovrappressione a ridosso delle aperture ad ovest e sud. Pertanto si è progettato una finestra 150×130 cm. a sud ed in asse una portafinestra 150×225 cm. a nord in modo da sfruttare l’effetto Venturi. L’altro asse principale è stato creato perpendicolarmente al precedente in modo da creare un doppio flusso a seconda che le finestre delle camere A e B siano aperte o chiuse; nel primo caso si ha una direzione prevalente ovest-est, nel secondo caso ovest-sud.

Analisi CFD con vento pari a 3 m/s in direzione ovest a 20°C – Finestre edificio chiuse

Analisi CFD con vento pari a 2 m/s in direzione sud-ovest a 20°C – Finestre edificio aperte

Analisi CFD con vento pari a 3 m/s in direzione ovest a 20°C – Trasversale, conferma effetto Venturi

Un altro aspetto importante nella progettazione ha riguardato l’analisi dell’efficacia dei sistemi schermanti, vista l’obbligata collocazione d’asse dello spazio soleggiato, in modo da evitare assolutamente il surriscaldamento estivo. Il progetto prevede l’utilizzo di schermature a lamelle (frangisole) mobili esterne alla superficie vetrata verticale in modo da intercettare la radiazione prima che attraversi la superficie trasparente. Tale scelta risulta appropriata anche nel periodo invernale quando l’impacchettamento verticale del frangisole permette la totale trasparenza della superficie vetrata. Il sistema sopra descritto sarà dotato di motorizzazione collegata ad appositi sensori di luminosità che garantiranno il funzionamento del sistema passivo anche in assenza dell’utente. Ovviamente dovrà essere possibile agire sul serramento per poter garantire la ventilazione anche con sistemi di ombreggiamento attivi e pertanto è stata esclusa la possibilità di collocamento del frangisole di essere fissato direttamente sull’anta dei battenti, ma una apposita veletta in sommità garantirà la miglior collocazione dell’elemento oscurante in modo da non ostacolare il passaggio dell’aria di ventilazione. Nella progettazione dei sistemi schermanti relativi alla copertura vetrata trasparente ha influito il fatto di ridurre il più possibile gli ingombri esterni dei dispositivi, quando raccolti in assetto invernale, e pertanto si è deciso di utilizzare una tenda avvolgibile a rullo, posta esternamente alla copertura, con scorrimento entro guide poste sui lati della stessa o a trazione continua che limita l’effetto “vela” dovuto al vento riducendo quindi potenziali rotture o rumorosità fastidiosa. Consapevole che i tessuti non hanno la capacità di schermare completamente la radiazione, la scelta progettuale è basata sul fattore schermante del prodotto che dovrà essere superiore all’80% e quindi con colorazioni molto vicine al bianco.

Un metodo per identificare il concetto di efficacia delle schermature è proposto dalla procedura energetica della Regione Lombardia messa a punto all’interno del recepimento autonomo della direttiva europea sul rendimento energetico degli edifici. Il metodo è descritto al punto 5.4 della DGR VIII/8745 ed è possibile proporlo come riferimento. Un sistema schermante è efficace se:

  • Durante il periodo estivo riduce del 70% l’irradiazione solare incidente sulle superfici trasparenti;
  • Durante il periodo invernale consente il massimo sfruttamento dell’irradiazione solare incidente.

Le verifiche devono essere effettuate per tutte le superfici trasparenti, ad eccezione di quelle rivolte a nord, nord-est e nord-ovest. E per il calcolo dell’ombreggiamento invernale ed estivo sono identificati i seguenti momenti standard:

  • Alle ore 11.00, 13.00, 15.00, 17.00 (ora solare) del 21 luglio
  • Alle ore 10.00, 12.00, 14.00 (ora solare) del 21 dicembre

Di conseguenza la verifica va effettuata considerando un modello orario applicato ai giorni prescelti, che calcoli il fattore di ombreggiamento medio giornaliero fsh, relativo alo schermo X ed all’elemento trasparente Y.

Sono state analizzate:

  • Frangisole mobile sulla vetrata ovest
  • Frangisole mobile sulla vetrata sud
  • Frangisole mobile sulla finestra sud
  • Frangisole mobile sulla seconda vetrata ovest
  • Tenda a rullo su copertura vetrata

Non sono state analizzate le vetrate a nord che, per mero fattore estetico verranno schermate comunque con frangisole mobile.

Dettaglio di modellazione delle schermature mobili per la valutazione degli ombreggiamenti

Diagrammi stereografici di ombreggiamenti e radiazioni

Dimostrazione numerica ombreggiamenti per vetrata ovest

 

Nella seconda parte di questo articolo verrà svolta una metodologia di calcolo del guadagno energetico degli spazi soleggiati. Stay Tuned!

 

 

Lascia un Commento