domenica 27 febbraio 2011

Serra solare - calcolo della dispersione di calore e degli apporti solari diretti ed indiretti

Come già accennato in alcuni articoli precedenti, la realizzazioni delle serre solari è favorita dalla legislazione italiana. Le varie amministrazioni richiedono tuttavia che siano rispettati una serie di requisiti.

Tra questi vi è quello di garantire un guadagno energetico della serra solare significativo. In altre parole, il fabbisogno di calore dell'edificio durante la stagione invernale deve risultare significativamente ridotto per la presenza della serra solare.
serra solare bioclimatica calcolo guadagno energetico

Per ricavare il guadagno energetico della serra solare è necessario calcolare dapprima gli scambi di calore attraverso la parete di separazione (quella su cui si intende addossare la serra) in caso di assenza e presenza della serra solare.

Il metodo di calcolo riportato di seguito ha come presupposto che non vi siano aperture permanenti sulla parete di separazione che mettano in comunicazione la serra solare con l'ambiente adiacente climatizzato. Nel calcolo non sono infatti considerati gli scambi convettivi tra i due ambienti. E' ammissibile naturalmente considerare la presenza di porte e finestre sulla parete di separazione in quanto non permanentemente aperte. Si ipotizza inoltre di poter considerare i medesimi ombreggiamenti Fob su tutti gli elementi (serra, pareti, etc).


Calcolo della dispersione di calore

La parete dell'edificio su cui verrà realizzata la serra (parete di separazione) durante la stagione invernale di riscaldamento disperde per trasmissione una certa quantità di calore.
serra solare bioclimatica calcolo guadagno energetico trasmissione di calore

Qh = H (θi - θe) t

La presenza della serra solare costituisce un'isolamento aggiuntivo dell'edificio riducendo la dispersione di calore in corrispondenza della parete di separazione di un fattore b che può essere calcolato conoscendo i coefficienti di dispersione H ed Hs con la formula seguente:

b = Hs / ( Hs + H )

serra solare bioclimatica calcolo guadagno energetico trasmissione di calore

La dispersione di calore risulterà pari a:

Qhs = b H (θi - θe) t

Dove:

H = Coefficiente di trasmissione della parete di separazione
Hs = Coefficiente di trasmissione dell'involucro della serra (parti vetrate e pavimento)

θi = Temperatura dell'ambiente climatizzato
θe = Temperatura esterna (media mensile)
t = Tempo

Nota: il calcolo va eseguito per ogni mese e frazione di mese durante la stagione di riscaldamento.

Calcolo degli apporti solari diretti

Gli apporti solari diretti sono costituiti dalla frazione di energia solare che penetra direttamente nell'ambiente riscaldato. In assenza della serra solare l'ambiente climatizzato beneficia di un apporto solare diretto quantificabile come somma dell'energia assorbita dagli elementi opachi della parete di separazione e da quella che attraversa gli elementi trasparenti.
serra solare bioclimatica calcolo guadagno energetico apporti solari diretti

Qsol,dir = Fob ( FTw gw (1-FFw) A Isol t  + αp ( Up / hp ) Ap Isol t  )

In presenza della serra, essendo questa costituita da un'involucro prevalentemente trasparente, vi sarà comunque un apporto solare diretto dovuto alla radiazione solare che incide sugli elementi della parete di separazione ma risulterà attenuato dall'involucro della serra a causa dei telai delle vetrate e dagli elementi trasparenti che filtrano la radiazione.
serra solare bioclimatica calcolo guadagno energetico apporti solari diretti

Qs,sol,dir =   (1-FFs) gs Fob ( FTw gw (1-FFw) A Isol t  + αp ( Up / hps ) Ap Isol t )

Questo potrebbe portarci a ritenere che gli apporti diretti, in presenza della serra, siano minori. Tuttavia la presenza della serra modifica anche il coefficiente di scambio superficiale esterno della parete di separazione riducendolo significativamente. In assenza della serra solare, infatti, il coefficiente di scambio termico superficiale ha un valore abbastanza elevato: hp = 25

In presenza della serra il coefficiente di scambio termico superficiale può essere quantificato mediante le seguenti relazioni:
hps = 1 / Rps

Rps = 0,09 + 0,4 Ap / As


I simboli utilizzati hanno i seguenti significati:

Fob = Coefficiente di ombreggiamento. E' il rapporto tra la superficie illuminata direttamente dal sole e la superficie totale. Vale 1 in assenza di ombreggiamenti.

FTw , FTs  = Coefficienti di esposizione. Tengono conto del fatto che i raggi solari non incidono perpendicolarmente sui vetri. Convenzionalmente viene posto pari a 0,9.


gw , gs = Trasmittanza energia solare normale. Dipende dalla tipologia degli elementi trasparenti (vetri singoli, doppi, etc).

FFw  , FFs = Coefficiente telaio. E' il rapporto tra la superficie del telaio e l'intero elemento vetrato. Per una finestra convenzionale il valore potrebbe essere pari a 0,2 mentre per una serra (dove il vetro in genere prevale) il valore sarà inferiore.

A , Ap , A= Area dell'elemento trasparente (finestra), dell'elemento opaco (parete) della parete di separazione e della serra solare (parti vetrate e pavimento)
Isol   = Irraggiamento medio mensile giornaliero
αp = Coefficiente di assorbimento
Up = Trasmittanza della parete di separazione (elemento opaco)
hp , hps = Coefficiente di scambio termico superficiale

Nota 1 : i pedici w e p si riferiscono rispettivamente all'elemento trasparente (nel nostro caso la finestra) e all'elemento opaco (la restante parte in muratura) della parete di separazione.

Nota 2 : il calcolo va eseguito per ogni mese e frazione di mese durante la stagione di riscaldamento.

Nota 3 : per l'irraggiamento vanno considerati i valori mensili per ciascun orientamento degli elementi opachi.


Calcolo degli apporti solari indiretti
Gli apporti solari indiretti sono costituiti da quella parte dell'energia solare che penetra all'interno della serra ed è assorbita dagli elementi opachi interni alla serra, quali il pavimento, la parete di separazione, etc (nella formula sono evidenziati con il pedice i ). Di questo calore, l'ambiente adiacente, ne beneficerà in modo indiretto ed in misura ridotta di un fattore  1 - b.
serra solare bioclimatica calcolo guadagno energetico apporti solari indiretti

Qs,sol,indir =   (1 - b ) (1-FFs) gs Fob ( ∑ αi A Isol,i t  - αp ( Up / hps ) Ap Isol t )

Dalla radiazione solare che incide sulla parete di separazione, come si vede dalla formula, viene sottratta quella parte di energia già conteggiata come apporto solare diretto.

Calcolo del guadagno energetico della serra solare

Il guadagno energetico GE di una serra solare è definito come

GE = (Q° - Q) /Q°

Dove
Q° è il fabbisogno di energia in assenza della serra solare durante la stagione invernale
Q è il fabbisogno di energia in presenza della serra solare durante la stagione invernale

Supponiamo di conoscere il valore di Q° eventualmente ricavabile dall'attestato di certificazione energetica.

Il valore di Q può essere dedotto mediante la seguente relazione.

Q = Q° - ( Qh + Qsol,dir )  +  ( Qhs + Qs,sol,dir  -  Qsol,ind  )

In questo modo sarà possibile calcolare il guadagno energetico con i valori calcolati precedentemente:

GE =  (Q° - Q) /Q° =   [ ( Qhs + Qs,sol,dir  -  Qsol,ind  ) - ( Qh + Qsol,dir ) ]  / Q° 


Naturalmente si tratta di un calcolo semplificato. Spesso è infatti necessario tenere conto di aperture e quindi di fenomeni convettivi, di serre non completamente vetrate (ad esempio con copertura opaca) ed altri elementi che possono complicare il calcolo.

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Requisiti delle serre solari
Funzionamento di una serra solare

giovedì 17 febbraio 2011

I piumini da letto, il grado calore e i Tog

Nel settore tessile l'unità di misura per definire la resistenza termica (isolamento) di un tessuto si chiama Tog.

1 Tog = 0,1 m² K / W

Il termine Tog pare derivi dalla parola toga, l'abito usato dagli antichi romani.

Giusto per renderci conto del significato del Tog, quello fisico, possiamo pensare che si tratti veramente di una toga. In estate avremmo bisogno di una toga per coprirci, in primavera di un paio ed in inverno per ripararci dal freddo potremmo indossarne una decina.

Insomma, con più Tog si sta più caldi.
I piumini da letto, ad esempio, dal punto di vista termico, si caratterizzano proprio per il valore della resistenza termica, il numero di Tog appunto.

L'IKEA per semplificare ulteriormente il concetto usa una scala da 1 a 6 (Grado di Calore) per classificare i piumini dai più leggeri ai più caldi ma esiste una corrispondenza ben precisa con i Tog.
Piumini da letto grado calore Tog

Nella scelta di un piumino a parte il fatto di essere più o meno freddolosi o calorosi ciò che conta veramente è la temperatura della camera da letto. C'è chi la riscalda come gli altri ambienti a 20 °C e chi, come il sottoscritto, non la scalda affatto e mediamente, d'inverno, non raggiunge i 15 °C.

Con quante toghe dovremmo coprirci per dormir bene? Mia moglie ha optato per un piumino in cotone e piuma d'oca con grado di calore 6 acquistato all'IKEA equivalente a 12 Toghe ma non avrebbe disdegnato qualche toga in più.

Infatti il calore che si disperde attraverso un tessuto (ad esempio un piumino d'oca) è proporzionale alla differenza di temperatura (tra sotto le coperte e nella camera da letto) oltre che alla superficie ed è inversamente proporzionale alla resistenza termica del tessuto (i Tog).

In formula possiamo scriver che:
Q = A x ΔT / R
oppure che:
R = A x ΔT / Q

Ora proviamo a scoprire di quanti Tog abbiamo bisogno. 
Facciamo le seguenti ipotesi:
  • Superficie del piumino: A = 2,4 m x 2,2 m = 5,28 m² 
  • Temperatura confortevole sotto alle coperte: Ti = 26 °C
  • Temperatura nella camera da letto: Tc = 15 °C
  • Differenza di temperatura: ΔT = 11 °C
  • Calore prodotto dal corpo (2 persone): circa 140 Watt
  • In realtà dovremmo anche sapere la resistenza termica del materasso perché anche dal materasso si disperde calore e poi di tanto in tanto nel letto ci si scopre, ci si attorciglia nel piumino, etc. Ne terremo conto, in questa analisi semi-seria, triplicando la superficie del piumino.
Risulta che:
R = 3 x A x ΔT / Q = 1,24 m² K / W = 12,4 Tog


Dai calcoli, quindi, con 12 Tog dovremmo stare ragionevolmente bene. Ma il verdetto finale sarà la prova sul campo (nel letto) del piumino che al momento è ancora avvolto nel cellofan.


PS: Inutile osservare che un piumino caldo può consentire di tenere un po più bassa la temperatura in camera da letto riducendo i consumi a vantaggio di portafogli ed ambiente. 


sabato 12 febbraio 2011

Specchi parabolici a concentrazione solare per la produzione di acqua calda

L'idea di concentrare la radiazione solare mediante specchi parabolici non è nuova. Ci aveva già pensato Archimede a scopi bellici con gli specchi ustori. Durante l'assedio di Siracusa pensava di poter bruciare le navi romane orientando opportunamente più specchi piani in modo da convogliare i raggi solari sulle navi nemiche. Forse non riuscì nel suo intento per problemi tecnici ma l'idea fu geniale ed oggi, il medesimo principio, viene sfruttato in diversi campi.
specchi solari per produzione acqua calda
Una applicazione interessate è quella proposta da Zocchi Group.
Mediante uno specchio parabolico la radiazione solare viene convogliata verso un collettore nel quale scorre un fluido termoconvettore che trasmette l'energia raccolta all'acqua contenuta in un serbatoio di accumulo. Questa può essere utilizzata per riscaldamento, per la produzione di acqua calda sanitaria o magari per stemperare l'acqua di una piscina.
specchi solari a concentrazione con inseguitore solare
Foto: dimostrazione dell'elevata temperatura ottenuta al collettore in corrispondenza del fuoco della parabola

Il marchingegno (si chiama Z SOLEX) ricorda un'antenna parabolica per la ricezione della TV satellitare.
La parabola, fissata su di un'asta, ha un diametro di 1,6 metri ed un peso complessivo di circa 60 kg. Un microprocessore comanda gli azionamenti per orientare l'asse della parabola verso il sole mantenendola allineata dall'alba al tramonto. Il sistema a concentrazione con inseguitore solare, a parità di superficie, rende più del doppio rispetto ad un sistema tradizionale con pannelli solari piani. Garantisce, inoltre, temperature dell'acqua superiori.

Quando si raggiunge la temperatura desiderata, o nel casa si voglia disattivare il sistema, basta girare la parabola in modo che non guardi il sole. Ma mi raccomando, non puntatela verso il vicino antipatico!  ;-)

lunedì 7 febbraio 2011

Agriturismo con piscina... o stagno per i pesci rossi

La piscina in un agriturismo sembrava essere proprio un must. Quando l'anno scorso aprimmo l'agriturismo Terra Verde, contattammo un'agente turistico che già telefonicamente ci chiese: ...avete la piscina naturalmente? Mi sentii quasi imbarazzato nel rispondere di no. E poi, come a volermi giustificare dell'imperdonabile lacuna, gli descrissi della natura bellissima e degli ambienti confortevoli e rigorosamente preservati.

In effetti ero convinto che un agriturismo dovesse proporre natura, quiete, tradizione e magari un po di coinvolgimento nelle attività rurali e non ritenevo che piscina, SPA, solarium e massaggi fossero coerenti con questi luoghi; avrei temuto di snaturarli. Temevo inoltre che la realizzazione di una piscina fosse complessa, per non parlare della gestione e della responsabilità nei confronti degli ospiti.

L'agente quando poi venne a visionare la struttura rimase ben impressionata e fu contenta di poter proporre Terra Verde ai sui clienti.

Ora, a seguito della pubblicazione del Decreto della regione Toscana del 26 febbraio 2010 mi sento sollevato per non aver ceduto alla realizzazione di una piscina. Il Decreto è il Regolamento di attuazione della Legge Regionale 9 marzo 2006, n. 8 che impone i requisiti igienico-sanitari delle piscine ad uso natatorio.

Da una prima lettura superficiale del Decreto mi sembra che realizzare e gestire una piscina sia diventata una vera e propria pazzia, insostenibile per le piccole strutture. 

Tra i vari requisiti si parla di banchine anti sdrucciolo lavabili a bordo vasca; separazioni che delimitino l'accesso alla balneazione con passaggio obbligato attraverso vasche lavapiedi con soluzione disinfettante; almeno una doccia nelle immediate adiacenze della piscina comunque dotata almeno di un asciugacapelli; uno spazio destinato a primo soccorso agevolmente accessibile dotato di cassetta di pronto soccorso contenente le attrezzature e i farmaci di primo impiego; il trattamento delle acque; i controlli; la documentazione ed il personale responsabile che deve essere debitamente formato. 

Per le piscine esistenti dovrebbero esservi alcune deroghe ma in ogni caso, se non attuano opportune semplificazioni, conviene trasformarle in vasche per i pesci rossi.

mercoledì 2 febbraio 2011

Gli olivi e le gelate - quando iniziare a potare

L'olivo è una pianta rustica mediterranea che predilige climi miti con inverni non troppo rigidi, estati non troppo calde e moderate escursioni termiche. E' comunque una pianta robusta capace di adattarsi e di sopportare temperature ben al di sotto dello "zero".  Per questo, la coltivazione dell'olivo in Italia oltre ad essere ampiamente diffusa nelle zone centro-meridionali e nelle isole si è estesa anche in aree particolarmente temperate del nord Italia.

La pianta di olivo tollera bene temperature fino -5°C. Al di sotto di questo valore inizia a manifestare insofferenza con danni che possono interessare, al decrescere della temperature, le foglie, i rametti più giovani, i grondacci, le branche, il tronco sino alle radici.

Gli effetti della temperatura sono inoltre aggravati dai seguenti fattori:
  • presenza di umidità nell'aria e nel suolo 
  • repentinità con cui si verifica il crollo della temperatura
  • perdurare delle basse temperature
  • periodo in cui si verifica (meno grave durante il periodo di riposo vegetativo)

La gelata del 1985, ad esempio, fu caratterizzata da un prolungato (circa 10 giorni) calo di temperature ed elevata piovosità ed umidità. In alcune zone la temperatura scese al disotto dei -20°C.

Tuttavia il periodo precedente fu abbastanza rigido dando modo alle piante di acclimatarsi. Le piante, per le temperatura mediamente rigide e per il periodo (Gennaio) in cui si verificò la gelata, si trovavano in stato di quiescienza. Queste circostanze limitarono in parte l'entità dei danni.

L'evento fu comunque severo. Nella zona in cui vivo (Valdera) le temperature scesero sino a -16°C (la tabella a fianco si riferisce ai dati registrati dalla stazione meteo di Pisa San Giusto a circa 25 km di distanza) compromettendo il fogliame ed i giovani getti (di 1, 2 anni) di quasi tutte le piante (defogliazione ed imbrunimento).

Alcuni olivi potati in modo deciso in dicembre subirono danni più gravi con devitalizzazione di rami e tronco. Altri vecchi olivi presentavano addirittura spaccature della corteccia. Fu necessario tagliare le piante al ceppo per allevare i polloni; le radici fortunatamente non erano state compromesse.

La potatura, specie nel caso di tagli importanti, espone maggiormente la pianta in caso di gelate. Può inoltre stimolare il risveglio vegetativo ponendo la pianta in uno stato estremamente vulnerabile alle temperature più rigide.

Eventi eccezionali come quello del 1985 sono piuttosto rari. In Italia, in quest'ultimo secolo, vi furono altre due gelate storiche nel 1929 e nel 1956 ed entrambe si verificarono nella prima metà di Febbraio causando danni ancora più gravi. Le gelate, infatti, furono meno rigide ma il periodo subito antecedente fu particolarmente mite.

COME PREVENIRE I DANNI DELLE GELATE
Per contenere i danni di eventuali gelate, al momento dell'impianto conviene scegliere cultivar adatte al clima. Le piante autoctone in genere costituiscono una scelta ottimale. Sono da preferire i terreni ben drenati e meno esposti. Ma la precauzione più efficace resta quella di iniziare a potare quando non vi è più il rischio di gelate (in genere dalla seconda metà di febbraio). 

Bisogna tuttavia tener conto che oggigiorno le previsioni meteo sono sempre più attendibili dando una certa visibilità delle condizioni meteorologiche che ci attendono. Le previsioni meteo permettono di pianificare meglio gli interventi di potatura dell'olivo consentendo, tempo permettendo, di anticipare leggermente.

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