lezione 020 - Ordine Architetti Prato

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progetto SO.PRA.N.E.
PARAMETRI E STRUMENTI
DI UNA PROGETTAZIONE SOSTENIBILE
Palazzo delle Professioni
mertedì 08 novembre 2011
sabato 12 novembre 2011
Elementi di geometria solare –
Metodi applicativi per una
progettazione bioclimatica
dott. ing. Silvia D’Agostino
consulente dell’A.O.U. Meyer in materia di ambiente ed energia
membro del Direttivo dell’Istituto Nazionale Bioarchitettura / sez. Prato
ELEMENTI DI GEOMETRIA SOLARE – PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA
Argomenti
• Significato ed efficacia di un approccio bioclimatico alla
progettazione
• Esempi di architettura bioclimatica
• Strategie “naturali
• Elementi di geometria solare
• Applicazioni pratiche
• Esercitazione:
– progettazione di un aggetto
– valutazione dell’ombreggiamento di un portico
• Metodi di approccio alla progettazione:
– il nuovo
– l’esistente
• Conclusioni
ing. Silvia D’Agostino
1
Architettura bioclimatica
La "bioclimatica" vuole mettere in relazione l'uomo, "bios", e il clima, essendo
l'architettura un risultato delle interazioni fra entrambi.
Obiettivo:
ottimizzare le relazioni energetiche con l'ambiente circostante
mediante il disegno architettonico
Come:
adattando l'edificio alle caratteristiche dell'ambiente circostante
(vegetazione, rilievi, edifici esistenti, ecc.) per ottenere il
maggior vantaggio dal punto di vista termico e luminoso, e
sfruttare lo stesso "intorno" per migliorare le condizioni di
comfort.
Significato ed efficacia di un approccio bioclimatico
alla progettazione
Strumenti:
utilizzazione di componenti e/o sistemi edilizi in grado di
assolvere oltre alla loro funzione specifica anche funzioni
energetiche, ossia captare, accumulare, conservare e restituire
l’energia termica e luminosa della radiazione solare (es.
un loggiato) oppure sfruttare la ventilazione naturale degli
ambienti .
Efficacia:
- riduzione del consumo complessivo degli edifici
- aumento del benessere psicofisico dell’abitare
- riduzione delle emissioni di CO2 nell’atmosfera
2
ESEMPI DI ARCHITETTURA BIOCLIMATICA SPONTANEA
ABITAZIONI DI MONTAGNA
- Esposizione dei borghi montani è in prevalenza a sud sud-ovest, in modo
da avere soleggiamento diretto fino a sera, e beneficiare così
dell’irraggiamento solare.La posizione di mezza costa è riparata dai venti
freddi del Nord
- Forma compatta
- La stalla al piano terreno, l’abitazione al piano primo e il fienile al piano
sottotetto
- Piccole aperture
CASE COLONICHE TOSCANA (Fiesole)
- esposizione a sud
- nord riparato dalla collina e dai sempreverdi
- loggiato d’ingresso come spazio inter-esterno (estate calda e secca)
3
COSTIERA AMALFITANA
- Case di pietra intonacate a calce (il bianco riflette i raggi solari diretti e
diminuisce l’acquisizione di calore)
- tetti piani per la raccolta delle acque piovane
- aperture ridotte al minimo
NORD AFRICA, ALGERIA
- case sono in terra cruda
- aperture minime verso l’esterno
- cortili interni
- intonaco a calce
4
5
ESEMPI DI BIOARCHITETTURA
6
ROMA – LUNGHEZZINA 2
STRATEGIE “NATURALI”
-
Orientamento e posizionamento dell’edificio
Soleggiamento / Ombreggiamento
Sistemi solari passivi (serre, muri termici, muri di trombe)
Isolamento termico
Isolamento acustico
Ventilazione naturale
Raffrescamento evaporativo
Coperture Verdi
Giardini
Recupero delle acque
7
ORIENTAMENTO E FORMA
L’intensità della radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre varia in funzione
dell’angolo che i raggi solari formano con la superficie. La disponibilità di luce naturale
sul sito presenta una forte influenza sul comportamento termico dell’edificio.
Al variare dei seguenti fattori:
1. caratteri fisiografici di un territorio
(forma e posizione dei rilievi)
2. Inclinazione del terreno (rispetto
all’orizzontale
3. ostacoli sull’orizzonte (naturali e
no)
4. fattore di nuvolosità e di clima
Si modificano notevolmente anche le
condizioni di irraggiamento
L’edificio dovrebbe essere posizionato in modo tale che:
-
I consumi di energia per l’illuminazione artificiale e per il
riscaldamento/raffrescamento meccanico siano minimizzati.
-
Ridurre e controllare la radiazione solare (soprattutto nel periodo
estivo)
-
Migliorare la ventilazione naturale e il raffrescamento sulle superfici
esterne dell’edificio (raffrescamento evaporativo)
8
La geometria della radiazione solare, l’irradianza
solare e la presenza e caratterizzazione delle
ostruzioni, sono utili per l’analisi della disponibilità
di luce naturale.
Per questo è necessario valutare l’andamento
della radiazione solare per diversi orientamenti di
una superficie verticale, quella sul piano
orizzontale e la caratterizzazione delle ostruzioni
alla radiazione solare (esterne o interne alla zona
oggetto di intervento).
Il flusso termico trasmesso all’interno di un edificio
può essere modificato:
1.scegliendo opportunamente forma ed
orientamento degli elementi e dei materiali di cui
è costituito;
2.variando l’incidenza e/o l’assorbimento della
radiazione solare;
3.creando effetti d’ombra per ridurre l’intensità
dell’irraggiamento.
SOLEGGIAMENTO / OMBREGGIAMENTO
Articolando la superficie della facciata
si possono evitare gli effetti negativi
dovuti al surriscaldamento, riducendo
l’apporto termico di riflessione e di
calore assorbito dall’involucro,
regolando di conseguenza il
microclima esterno ed interno.
9
L’aumento di temperatura dell’aria,
se può risultare gradevole in inverno
e, senz’altro sgradevole in estate
(inoltre determina un incremento dei
consumi elettrici per la
climatizzazione degli ambienti); a
tale scopo l’effetto mitigante della
vegetazione è senz’altro un fattore
apprezzabile e dal punto di vista
della qualità ambientale che per il
risparmio energetico.
La vegetazione contribuisce con la
produzione di vapore acqueo al
mantenimento del grado di umidità
dell’ambiente. Influenza il ristagno e
l’assorbimento idrico, riducendo o
favorendo l’evaporazione al suolo.
Per ridurre il surriscaldamento estivo un buon
metodo è quello di schermare
opportunamente le aperture alla radiazione
solare diretta.
Questo non deve però impedire la
penetrazione della radiazione nel periodo
invernale.
10
Valutazione dell’efficacia dei dispositivi di controllo solare previsti in
sede di progetto
Attualmente sono disponibili strumenti software in grado di costruire automaticamente i
diagrammi solari e di simulare il percorso solare rispetto ad un modello di progetto.
Il moto del sole può essere simulato in ogni stagione e con intervalli di tempo
personalizzabili
Studio sviluppato col software Ecotec
Caratteristica delle superfici
Per superfici assorbenti si intendono superfici continue realizzate in materiali pesanti e
scuri (pietra, laterizio, ecc.) in grado di assorbire in maniera rilevante la radiazione solare
e di trattenere e rilasciare lentamente il calore accumulato. Tale caratteristica è da tenere
in attenta considerazione, soprattutto per la valutazione del regime estivo.
Le superfici riflettenti, invece, esercitano la loro influenza non solo incrementando il
carico termico sulle superfici adiacenti, ma anche alterando le condizioni di illuminazione.
In particolare è da valutare il rischio di abbagliamento.
La permeabilità delle superfici orizzontali è invece un fattore significativo in funzione
del regime di smaltimento delle acque meteoriche. Un’eccessiva impermeabilizzazione
aumenta lo scorrimento superficiale con conseguente aumento del rischio di
allagamento, mentre una pavimentazione permeabile non opportunamente controllata
favorisce la dispersione di volumi d’acqua significativi, che invece potrebbero essere
riutilizzati nell’ambito dell’edificio come acque bianche non sanitarie. L’analisi dello stato
di fatto della permeabilità delle pavimentazioni in termini di analisi della permeabilità è
quindi necessaria per la ridefinizione di un corretto assetto nella successiva fase di
progetto.
11
Protagonista principale:
SOLE
12
Parametri solari di riferimento:
• Declinazione ( δ ):
Angolo sotteso tra la linea Terra-Sole ed il piano dell’equatore
(positivo verso Nord)
δ = 23° 27’ x sen [(360/365) x ( 284 + n )]
con n= [1:365] giorno dell’anno
δ = [-23° 27’ : + 23° 27’]
• δ = 0 in corrispondenza degli equinozi
• L’altezza del Sole (E) è pari alla latitudine (φ) +/- δ
13
• Angolo orario (ω):
Angolo compreso tra la proiezione del Sole sul piano equatoriale
in un dato momento e la proiezione del Sole sullo stesso piano al
mezzogiorno solare
ω = 15° x ( h - 12 )
con h = [0:24] ora del giorno
ω = [-180°:180°] nel giro delle 24 ore
ω < 0 al mattino e ω > 0 nel pomeriggio
• il Sole percorre un angolo di 15°/h
• Latitudine ( φ ):
distanza angolare di un
punto (P) dall‘equatore
misurata lungo il
meridiano che passa per
quel punto.
•Longitudine:
distanza angolare di un
punto (P) dal meridiano
fondamentale (di
Greenwinch), misurata
sull'arco di parallelo che
passa per quel punto.
14
•Elevazione (E):
angolo formato dal vettore che unisce l’origine degli assi
cartesiani al Sole e la sua proiezione sul piano di orizzonte
sen E = ( senφ senδ + cosφ cosδ cosω )
•E varia in funzione di latitudine, giorno (attraverso δ ) e ora (
attraverso ω )
•Alla nostra latitudine (φ=43°) E= [0°:70°]
•Ponendo E=0 si ottiene la durata del giorno alle varie latitudini:
cosω = - tgφ tgδ
15
Azimuth (A):
angolo formato dall’asse Sud e la proiezione sul piano
dell’orizzonte del vettore che unisce l’origine degli assi cartesiani
al Sole ( negativo verso Est e positivo verso Ovest ).
cos A’= (senδ – senφ senE ) / ( cosφ cosE )
A= A’ - 180° se
A= 180° - A’ se
h<12
h>12
•Alle nostre latitudini l’azimuth varia da -120° a +120°
16
Elementi di geometria solare
• Perché è importate comprendere cosa
significano e come si ricavano?
• Perché conoscere esattamente la posizione
del sole nell’arco del giorno e nel corso
dell’anno è fondamentale per poter
SCEGLIERE cosa e come progettare.
17
Formule:
Riassumendo
Elevazione (E)
senE = senf send + cosf cosd cosw
Azimuth (A)
cosA’ = (send – senf senE) / cosf cosE
A = A’ – 180° se h < 12
A = 180° - A’ se h > 12
dove:
f= latitudine locale
d= declinazione del Sole = 23,45 x sen [360/365 x (284+n)]
w= angolo orario = (H – 12) x 15°
Esercitazione
Supponiamo di voler schermare una finestra dai raggi solari dei
mesi estivi,
prenderemo in considerazione:
1. Orientamento della mia finestra
2. Scelta del periodo di ombreggiamento
3. Scelta della modalità di ombreggiamento
4. Valutazione della traiettoria del sole nel periodo considerato
5. Valutazione di eventuali ombre portate sulla mia finestra
6. Scelta del tipo di schermo da utilizzare.
7. Calcolo delle caratteristiche GEOMETRICHE dell’ elemento
schermante
18
1. Orientamento della mia finestra
Sud
2. Scelta del periodo di ombreggiamento
Dal 1 maggio al 12 agosto.
3. Scelta della modalità di ombreggiamento
Nelle ore più calde del giorno, dalle 11 alle 13 ora solare, (12-14 ora
legale), vorrei avere circa il 100% della superficie vetrata
ombreggiata.
4. Valutazione della traiettoria del sole nel periodo considerato (nostra
lat.)
Calcolo E del sole alle ore 12 (A=0, coincidente con la direzione del
vettore perpendicolare alla mia superficie) del 1 maggio ( che sarà
circa = al 12 agosto) e del giorno in cui il sole raggiunge la sua
massima elevazione: 21 giugno, solstizio d’estate.
Diagramma lineare della posizione del sole durante l’anno
P.S.: è riferito alla nostra latitudine!
19
1 maggio (n=121) ore 12 (ora solare) A=0 °
ore 11 e ore 13
21 giugno (n=172) ore 12
E= 61°
A= ±28,4 ° E= 58,3°
A=0 °
E= 69,5°
ore 11 e ore 13
A= ±35,9 ° E= 66,1°
ore 10 e ore 14
A= ±60 °
E= 58°
5. Valutazione di eventuali ombre portate sulla mia finestra
Non presenti
(Altrimenti fare il Diagramma di orizzonte)
6. Scelta del tipo di schermo da utilizzare
Un aggetto a 30 cm dalla sommità della finestra
7. Calcolo delle caratteristiche geometriche dell’ elemento
schermante
L = (d / tg E ) cos |A|
L= lunghezza dell’aggetto
d = distanza tra la base della finestra e l’aggetto
20
Hip. d= 1,70 m cioè tutta la mia superficie in ombra
1 maggio
(n=121)
21 giugno
(n=172)
ore 12
(ora solare)
A=0 °
E= 61°
L= 0,92 m
ore 11 e ore
13
A= ±28,4
°
E= 58,3°
L= 0,94 m
ore 12
A=0 °
E= 69,5°
L= 0,53 m
ore 11 e ore
13
A= ±35,9
°
E= 66,1°
L= 0,61 m
ore 10 e ore
14
A= ±60 °
E= 58°
L= 0,62 m
21
Domanda:
Cosa succede nel periodo invernale?
• Si prende un giorno rappresentativo dell’inverno,
il 10 febbraio (n=41), o il 31 ottobre (n=304) e
si verifica se, ad es., alle ore 12 la mia finestra è completamente
esposta o meno all’irraggiamento solare
1- Si calcola E (alle ore 12 A=0)
2- Si calcola d
d = (L tg E)/ cos |A|
(A=0 ↔ cosA=1)
L = 0,94 m
10
febbraio ore 12
(n=41)
21
dicembre ore 12
(n=172)
A=0 °
E= 31,2°
d= 0,57 m
A=0 °
E= 22,6°
d= 0,39 m
NON VA BENE!
Il 10 febbraio la mia finestra ha già il 19 % della sua
superficie in ombra !
E non è mai completamente irraggiata dal sole!
22
Dobbiamo modificare i nostri “progetti” iniziali:
Facciamo in modo, ad esempio, che il 1° maggio alle ore 12 sia in
ombra circa il 70 % della superficie finestrata, quindi:
d= 1,25 m
L= 0,7 m
Verifica invernale:
10 febbraio ore 12
d = 0,42 m
Adesso la mia finestra ha soltanto il 9% della sua superficie in
ombra ! Ed il 21 dicembre è completamente irraggiata dal sole
(d = 0.29 m).
Valutazione dell’ombreggiamento di un portico
23
Valutazione dell’ombreggiamento di un portico
24
0,60
1,20
0,60
1,30
0,90
O
27°
A
1,15
C
3,9
9
2,15
28°
2
2,4
2,4
5
°
57
D
1,10
B
2,25
19°
29°
1,35
B
1,35
A
O
2,45
O
1,3
1,3
3,99
C
1,3
punto
α
β
A
28°
29°
B
-57°
19°
C
0°
42°
D
-27°
41°
O
2,42
1,3
O
2,15
41°
42°
2,1
1,94
D
25
34°
47°
2,65
B'
2,65
A'
O'
O'
2,45
3,99
C'
O'
2,15
punto
α
β’
A’
28°
47°
B’
-57°
34°
C’
0°
56°
D’
-27°
55°
55°
56
°
3,4
3,24
D'
O'
2,42
Grafico del periodo di irraggiamento della mia porta-finestra
Orizzonte Solare
D'
B'
D
C'
C
A'
A
B
26
Altro esempio: ombre portate
• d= h / tg E
Metodi di approccio alla progettazione:
– Il nuovo
• Analisi preliminare:
– Valutazione delle probabili modalità di utilizzo dell’edificio finito:
obiettivi e priorità (energia-luce)
– Analisi del sito e rapporto con l’intorno
– Coordinate geodetiche (Lat. e Long.) → Traiettoria del sole
all’orizzonte
– Venti principali
• Utilizzo degli strumenti bioclimatici per il
raggiungimento degli obiettivi:
– Scelta dell’orientamento
– Disposizione e organizzazione dello spazio interno
– Progettazione di elementi architettonici di schermatura e/o di
captazione solare (shed, pozzi di luce, lucernai – aggetti, pergolati,
frangisole, logge – serre)
27
– L’esistente
• Analisi preliminare:
– Valutazione delle reali modalità di utilizzo dell’edificio in esame:
obiettivi e priorità (energia-luce)
– Analisi del sito e rapporto con l’intorno
– Analisi dell’organismo architettonico: struttura e forma
– Coordinate geodetiche (Lat. e Long.) → Traiettoria del sole
all’orizzonte
– Venti principali
• Utilizzo degli strumenti bioclimatici per il
raggiungimento degli obiettivi:
– Valutazione di un’eventuale riorganizzazione dello spazio interno
– Possibili interventi sull’intero organismo architettonico: struttura e
forma
– Progettazione di elementi architettonici di schermatura e/o di
captazione solare (shed, pozzi di luce, lucernai – aggetti, pergolati,
frangisole, logge – serre)
Facciamo qualche precisazione:
La valutazione della quantità di energia risparmiata in termini di
kwh/anno attraverso l’utilizzo di strumenti bioclimatici deve
rispondere alle metodologie di calcolo della L. 10/1991
aggiornata al D.lgs 192/2005, D.lgs 311/2006 e D.P.R. 59/09.
Anche la trasmittanza minima di pareti e serramenti deve
soddisfare le indicazioni di tali norme, non permettendo l’utilizzo
di certe strategie: non è possibile, ad es. non isolare una parete a
SUD.
Stessa osservazione per la stima della resa energetica di un
pannello solare termico o fotovoltaico, anche se la conoscenza
della geometria solare ne permette un corretto posizionamento.
28
Conclusioni:
E’ importante sottolineare che l’approccio
metodologico esposto in questa sede costituisce un
efficace strumento per il raggiungimento di standard
qualitativi abitativi elevati.
Tuttavia la quantificazione degli apporti energetici
ottenuti attraverso una progettazione bioclimatica
necessita, ad oggi, di una verifica secondo i
parametri normativi vigenti.
Grazie per l’attenzione
dott. ing. Silvia D’Agostino
[email protected]
Tel./fax. 0574 553787
29

lezione 020 - Ordine Architetti Prato

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