Il ruolo del sistemi solari passivi negli edifici sostenibili

Aprile 22, 2024

Cos’è un sistema solare passivo?

Un sistema solare passivo è un dispositivo capace di sfruttare l’energia solare per riscaldare o rinfrescare un ambiente senza l’ausilio di dispositivi meccanici. È una strategia bioclimatica diffusa principalmente alla medie e alte latitudini, dove è spesso necessario un compromesso tra captazione invernale e schermatura estiva, mentre risulta poco applicata alle basse latitudini, dove il problema principale è la schermatura solare. Quando la necessità di ventilazione naturale diventa predominante, la captazione solare può inoltre essere sfruttata in camini solari per generare movimenti d’aria per differenza di pressione, risultando utile anche nel periodo estivo.

Come funzionano i sistemi solari passivi

I sistemi solari passivi si basano su tre capisaldi, che potremmo definire i pilastri dell’architettura bioclimatica in generale:

Captazione dell’energia attraverso l’effetto serra: si sfrutta così la permeabilità dei vetri alla radiazione solare e l’impermeabilità degli stessi alle radiazioni di onda lunga (circa 11.000 nm) emesse dalle superfici riscaldate. Il calore rimane intrappolato e può essere utilizzato in varie forme: è lo stesso principio che, a una scala maggiore, regola e permette la vita sul pianeta Terra.
Accumulazione: l’energia viene accumulata nelle strutture pesanti e dotate di inerzia termica (murature, solai), con uno sfasamento e un attenuazione dell’onda termica.
Distribuzione: il calore viene quindi distribuito e ceduto all’ambiente riscaldato, riducendo i fabbisogni energetici.

Tipi di sistemi solari passivi

A seconda del tipo di captazione, accumulazione e distribuzione del calore, possiamo distinguere tra le seguenti tipologie di sistemi solari passivi:

Sistemi a captazione diretta statici: l’energia solare entra direttamente nell’ambiente riscaldato attraverso elementi trasparenti propri dell’involucro edilizio, come finestre o velux.

Sistemi a captazione diretta convettivi: l’energia viene intrappolata in una zona non riscaldata, tipicamente una serra solare, per essere ceduta immediatamente all’ambiente climatizzato attraverso delle aperture per il ricircolo dell’aria.

Sistemi a captazione ritardata statici: il calore viene accumulato attraverso l’inerzia termica delle strutture, per essere ceduto con un certo sfasamento all’ambiente riscaldato.

Sistemi a captazione diretta convettivi e con accumulazione: viene combinata l’accumulazione dell’inerzia termica alla distribuzione immediata del calore per convezione.

I dispositivi bioclimatici più utilizzati per realizzare questi tipi di sistemi sono il muro Trombe e la serra solare. A questo va aggiunto, come menzionato anteriormente, la possibilità di usufruire della radiazione solare anche per la riduzione dei fabbisogni termici estivi per il raffrescamento. La ventilazione naturale ha luogo infatti quando si genera una differenza di pressione, e ciò è possibile o attraverso una differenza di temperatura (effetto Stack) o per l’azione del vento. In dispositivi come camini solari, si sfrutta la radiazione solare per creare una grande differenza di temperatura capace di propulsare il moto convettivo. L’impiego adeguato di inerzia termica permette di estendere questo funzionamento anche durante la notte, quando generalmente le condizioni esterne sono più favorevoli per il raffrescamento.

Caratteristiche e benefici dei sistemi solari passivi

I sistemi solari passivi contribuiscono a ridurre significativamente i fabbisogni energetici, specialmente in edifici dall’involucro efficiente e ben isolato. Poiché non vengono utilizzati sistemi meccanici, il consumo di energia associato al loro funzionamento è nullo, anche se va ricordato che devono essere progettati come parte integrante dell’architettura, prevendendo un corretto dimensionamento e una orientazione ottimale. Sono inoltre soluzioni relativamente economiche e con un impatto ambientale ridotto se progettate adeguatamente, con ulteriori benefici come una maggiore illuminazione naturale o la possibilità di essere utilizzati per la ventilazione naturale.

Efficienza energetica: fattori da considerare nella progettazione

La maggiore o minore efficienza energetica all’incorporare un sistema solare passivo dipende da molteplici fattori quali:

Condizioni climatiche del luogo (accesso alla radiazione, intensità di quest’ultima, temperature esterne ecc..).

Orientazione dell’edificio e del dispositivo di captazione.

Isolamento e tenuta all’aria dell’involucro edilizio.

Uso dell’edificio e temperature di progetto.

Corretto dimensionamento delle aperture di captazione.

Corretto dimensionamento dell’inerzia termica, e dunque dello sfasamento e ammortamento dell’onda termica.

Trasmittanza termica e fattore solare degli elementi di captazione.

Sostenibilità economica

Un sistema solare passivo rappresenta una soluzione relativamente economica, di facile applicazione e funzionamento, sebbene richiede un’attenta analisi preliminare e il corretto dimensionamento dello stesso. Rappresenta in molti casi, specie alle medie latitudini, un’alternativa ragionevole e low-tech all’utilizzo di un recuperatore di calore in un sistema di ventilazione meccanica a doppio flusso: il pre-riscaldamento dell’aria avviene naturalmente grazie all’energia solare, con ingenti risparmi economici di installazione e manutenzione.

Impatto ambientale

Nonostante l’assenza di un consumo di energia in quanto sistema passivo, una serra solare o un muro Trombe richiedono un utilizzo aggiuntivo di materiali da costruzione, con un conseguente impatto ambientale legato al ciclo di vita degli stessi. In questo senso, l’impatto maggiore è tendenzialmente associato ai materiali più pesanti utilizzati per accumulare il calore (ad esempio il cemento armato): un’alternativa ecologica e sostenibile è l’impiego di materiali naturali come la terra (blocchi compattati (BTC) o muri monolitici (rammed earth)). L’uso di tali materiali ha inoltre un impatto benefico sul mantenimento e la regolazione delle condizioni termo-igrometriche dell’ambiente interno, migliorando così il comfort termico e il benessere degli inquilini.

In che modo i sistemi solari passivi differiscono dai sistemi solari attivi?

In ambito bioclimatico, un sistema attivo si differenzia da un sistema passivo per l’utilizzo di dispositivi meccanici o tecnologici che consumano energia. Generalmente, gli edifici che incorporano soluzioni passive nella loro architettura non sono autosufficienti: questo significa che non sono in grado di garantire le condizioni di comfort di progetto durante la totalità del tempo. Ci vediamo dunque obbligati a prevedere un sistema ausiliario per coprire le necessità e i fabbisogni che siamo incapaci di soddisfare passivamente.

Se ci riferiamo ai sistemi che sfruttano l’energia del sole, possiamo dunque definire “attivi”:

Serre solari, muri Trombe o camini solari che utilizzano ventilatori per condurre l’aria.

Collettori solari e sistemi di accumulo.

Sistemi di raffrescamento passivo solare (solar cooling).

Nelle serre solari o nei muri Trombe, un ventilatore può essere usato ad esempio per riscaldare delle pietre e dei massi dotati di grande inerzia termica disposti sotto il pavimento e distribuire gradualmente il calore accumulato all’ambiente interno.

Tra i collettori solari, possiamo distinguere tra:

Pannelli fotovoltaici: l’energia solare viene convertita in energia elettrica

Pannelli solari: l’energia solare viene utilizzata per produrre acqua calda

Nel primo caso, l’energia elettrica prodotta può essere utilizzata in combinazione con pompe di calore, ventilatori o dispositivi elettrici e apparecchi luminosi vari. Nel secondo caso, l’acqua calda può essere utilizzata in sistemi di riscaldamento a bassa temperatura o per la produzione di acqua calda sanitaria.

I sistemi di solar cooling sono invece sistemi impiantistici che sfruttano l’acqua calda prodotta dai collettori solari per produrre acqua fredda refrigerata o aria condizionata. Il funzionamento si basa sul ciclo frigorifero e richiede per l’appunto l’impiego di macchine frigorifere e torri di raffrescamento, oltre a un generatore di reintegro per sopperire all’assenza prolungata di radiazione. Sono sistemi relativamente semplici, di facile manutenzione e che vengono in genere impiegati in edifici di grandi dimensioni con ingenti fabbisogni energetici come ospedali o alberghi, ma richiedono tuttavia importanti investimenti iniziali e lunghi tempi di ammortamento.