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 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.

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.

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Funzionamento di una serra solare

La realizzazione di una serra solare può ridurre il fabbisogno di calore di un edificio in modo significativo. Possiamo renderci conto delle potenzialità di questa tecnologia pensando a come si surriscalda l'abitacolo di un'auto esposta al sole. Questo fenomeno, piacevole nei periodi invernali, diventa insopportabile d'estate.

Le serre solari infatti devono essere progettate in modo da sfruttare al massimo l'irraggiamento solare nei periodi freddi evitando il surriscaldamento nei periodi estivi. Nella progettazione è necessario pertanto porre tanta attenzione nel regime invernale quanto in quello estivo specie nelle zone climatiche più temperate.

Le serre solari, insieme ad altre tecnologie, fanno parte dei sistemi solari passivi così chiamati in quanto il loro funzionamento non richiede elementi impiantistici ed è garantito dalle sole scelte edilizio-costruttive (orientamento, esposizione, materiali, etc). 

Dal punto di vista realizzativo esistono diverse tipologie di serre solari. Quelle addossate hanno il pregio di consentire un'ampia libertà espressiva dal punto di vista architettonico risultando, al contempo, tra i sistemi più efficienti.

I benefici di una serra solare addossata, dal punto di vista energetico, sono di 3 tipologie: minor dispersione, apporti solari diretti ed apporti solari indiretti.

Riduzione della dispersione di calore

La minor dispersione è dovuta alla presenza della serra solare che costituisce un'isolamento aggiuntivo dell'edificio riducendo la dispersione di calore dalla parete su cui è addossata.

Questa tipologia di beneficio non è propriamente tipica delle serre solari in quanto la presenza di un qualsiasi ambiente adiacente non riscaldato (rimessa, garage, etc) porta sempre ad una riduzione delle dispersioni. Peraltro, la riduzione delle dispersioni potrebbe anche essere ottenuta isolando meglio la parete. 

Apporti solari diretti

Gli apporti solari diretti sono costituiti dalla frazione di energia solare che penetra direttamente nell'ambiente riscaldato attraverso le superfici vetrate e gli elementi opachi. Sono presenti sia in assenza della serra solare che in sua presenza dal momento che la superficie vetrata della serra lascia passare la radiazione solare.

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. Una parte di questo calore intrappolato all'interno della serra verrà ceduto all'ambiente climatizzato.

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Requisiti delle serre solari

La legislazione italiana nell'ambito dell'edilizia sostenibile favorisce la realizzazione delle serre solari. Le serre solari, infatti, sono escluse dai computi urbanistici (non costituiscono un volume addizionale) in quanto vengono assimilate a locali tecnici.  Una serra solare, tuttavia, per essere considerata tale deve soddisfare ad una serie di requisiti che variano da Comune a Comune.

Requisiti della serra solare

• non deve essere riscaldata dall'impianto di climatizzazione
• deve essere disposta nei fronti da sud-est a sud-ovest
• la superficie vetrata deve essere prevalente. Alcune amministrazioni richiedono che il rapporto tra superficie vetrata e superficie totale (pareti e copertura) sia almeno il 70%, altre esigono il 100%.
• il volume della serra non può superare il 10% del volume riscaldato dell’edificio (anche questa percentuale varia a seconda del Comune ed in alcuni casi è ammessa una percentuale sino al 20%) 
• la serra solare deve prevedere sistemi di schermatura e superfici vetrate apribili per adattarsi alle stagioni più calde
• non deve determinare un nuovo locale per la presenza continuativa delle persone (come locali di abitazione, luoghi di lavoro, ecc.)
• il guadagno energetico durante la stagione invernale dovuto alla presenza della serra solare deve essere almeno del 20% rispetto alla soluzione senza serra solare. Anche questo parametro varia a seconda del comune. In alcuni casi si accontentano del 5% in altri richiedono addirittura il 25%

Quest'ultimo parametro, dal punto di vista funzionale, è senza dubbio il più significativo; la serra solare deve generare un guadagno energetico!

Il calcolo del guadagno energetico della serra solare è dato dalla seguente espressione:  

(Q° - Q) /Q°

Dove

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

Q è il fabbisogno annuo di energia in presenza della serra solare durante la stagione invernale

Ad esempio un edificio che richieda 20000 kWh per la climatizzazione invernale e grazie alla realizzazione della serra solare riduca i consumi a 16000 kWh otterrà un guadagno energetico del 20%. Infatti:

(Q° - Q) /Q° = (20000-16000)/20000 = 0,2

Questo valore potrebbe soddisfare la maggior parte delle amministrazioni. Naturalmente la realizzazione di una serra solare deve comunque rispettare il Regolamento Urbanistico per quanto riguarda le altezze, le distanze dai confini e dai fabbricati, etc.

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La serra solare, contenimento dei consumi ed arricchimento architettonico

L'edilizia nel futuro prossimo dovrà adottare nuove soluzioni tecniche per ottemperare alla legislazione sul contenimento dei consumi energetici. Con la Direttiva 2010/31/UE l'Europa impone obiettivi ancora più restrittivi sulle prestazioni energetiche degli edifici nuovi ed esistenti oggetto di importanti ristrutturazioni.

Dal 2020 infatti tutti gli edifici di nuova costruzione dovranno essere ad energia quasi zero mentre per gli edifici esistenti dovranno essere adottate misure per trasformarli in edifici ad energia quasi zero in occasione di ristrutturazioni importanti. 

Ma cosa significa edifici ad energia quasi zero? 

Con questo termine si caratterizzano gli edifici in grado di produrre quasi tutta l'energia che consumano per la climatizzazione invernale ed estiva, per la produzione di acqua calda igienico/sanitaria e per l'illuminazione. 

Queste caratteristiche potranno essere ottenute agendo su tutti gli aspetti che influiscono la performance energetica:

• forma e volume degli edifici
• orientamento ed esposizione
• isolamento dell'involucro edilizio
• impianti e controllo
• sistemi passivi

Tenendo conto della lentezza con cui si rinnova il parco edilizio, per ottenere risultati significativi in termini di contenimento energetico nell'edilizia, una particolare attenzione dovrà essere rivolta all'esistente. La riqualificazione energetica sarà l'elemento cruciale. 

In alcuni contesti, quali i centri storici, i borghi e i villaggi caratteristici, gli edifici rurali, etc l'applicazione delle nuove tecnologie per la riqualificazione del patrimonio edilizio esistente potrebbero produrre contrasti estetici ed architettonici alterando i tradizionali canoni dell’architettura. Benché la direttiva europea ammetta deroghe sul patrimonio edilizio di importanza storico/culturale non è chiaro quale sarà il destino di quelle costruzioni che non rientrano nei beni storici/culturali ma che tuttavia rendono speciale il nostro territorio.

Tra gli interventi meno invasivi dal punto di vista estetico-architettonico rientrano l'isolamento dei tetti interponendo isolanti e mantenendo la copertura classica, la sostituzione degli infissi o semplicemente dei vetri con doppi vetri basso emissivi, l'ombreggiamento mediante alberi ed arbusti, il raffrescamento naturale ad aria (ad esempio pozzo provenzale) ed in alcuni casi l'integrazione di sistemi passivi quali le serre solari o bioclimatiche che dir si voglia.

La serra solare, se ben realizzate, oltre a garantire un apporto energetico gratuito che andrà a ridurre il fabbisogno energetico dell'edificio, può costituire un elemento di arricchimento architettonico.

La serra solare può inoltre assolvere ad ulteriori funzione: può costituire un avanti ingresso, può prestarsi per il ricovero delle piante più fragili durante il periodo invernale e non ultimo costituire un'ambiente vivibile addizionale con una atmosfera speciale (giardino d'inverno).

Una serra solare, per essere considerata tale, deve rispettare una serie di vincoli normativi specificati nei regolamenti urbanistici dei Comuni.

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