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.

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.

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 )

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.

Qsol,dir = Fob ( FTw gw (1-FFw) Aw  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.

Qs,sol,dir =   (1-FFs) gs Fob ( FTw gw (1-FFw) Aw  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 trasparente e l'intero elemento vetrato.

Aw  , Ap , As = 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.

Qs,sol,indir =   (1 - b ) (1-FFs) gs Fob ( ∑ αi Ai  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.

Post correlati:
La serra solare, contenimento dei consumi ed arricchimento architettonico
Requisiti delle serre solari
Funzionamento di una serra solare