Cosa sono le schermature solari e come funzionano Contenuti Uno dei fattori che maggiormente influisce sul funzionamento energetico di un...
Il soleggiamento rappresenta uno dei parametri fondamentali per la progettazione energeticamente efficiente degli edifici. La disponibilità di radiazione solare, insieme al controllo dei guadagni termici e luminosi, costituisce un elemento cardine dell’architettura bioclimatica e degli edifici NZEB.
La comprensione dei meccanismi fisici legati all’irraggiamento solare consente di ottimizzare involucro edilizio, comfort termo-igrometrico e prestazioni energetiche complessive.
Il soleggiamento indica la durata temporale (espressa in ore) in cui una superficie è esposta alla radiazione solare diretta. È importante distinguerlo in questo senso dall’insolazione, che rappresenta invece la quantità di energia radiante incidente su una superficie per unità di area e tempo (W/m² o kWh/m²).
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre è influenzata dalla distanza Terra–Sole (circa 150 milioni di km) e dall’interazione con l’atmosfera, che attraverso gas serra e particolato determina fenomeni di assorbimento, diffusione e riflessione.
Tali processi regolano il bilancio energetico del sistema Terra–atmosfera e determinano la quota di radiazione effettivamente disponibile al suolo.
In ambito edilizio, un comportamento analogo viene sfruttato attraverso le superfici vetrate, che presentano proprietà selettive rispetto alle lunghezze d’onda: trasparenti alla radiazione a onda corta (solare incidente) e sostanzialmente opache alla radiazione infrarossa a onda lunga emessa dalle superfici interne.
La posizione del sole può essere descritta attraverso due sistemi di riferimento principali: il sistema equatoriale (basato su declinazione, latitudine e longitudine) e il sistema orizzontale, comunemente utilizzato nelle analisi energetiche e illuminotecniche degli edifici, che fa riferimento ai parametri di altezza solare e azimut.
La radiazione solare incidente su una superficie terrestre può essere scomposta in tre componenti principali, che descrivono le differenti modalità di interazione con l’atmosfera.
L’utilizzo della radiazione solare in architettura costituisce un elemento centrale della progettazione bioclimatica e dei sistemi edificio-impianto a basso consumo energetico. La gestione dei guadagni solari consente infatti di ridurre il fabbisogno energetico per riscaldamento, illuminazione artificiale e climatizzazione.
In ambito progettuale, il controllo del soleggiamento si basa principalmente su strategie passive di captazione, accumulo e distribuzione dell’energia solare, che possono essere distinte in sistemi diretti e indiretti.
L’analisi del soleggiamento costituisce una fase fondamentale nella progettazione energetica dell’edificio, poiché consente di valutare l’interazione tra radiazione solare, involucro edilizio e condizioni ambientali esterne. L’obiettivo è ottimizzare i guadagni energetici in regime invernale, limitando al contempo i fenomeni di surriscaldamento estivo.
Le carte solari e le maschere di ombreggiamento consentono di rappresentare graficamente la traiettoria apparente del sole e di identificare i periodi dell’anno nei quali una determinata superficie risulta esposta o schermata rispetto alla radiazione diretta.
Le principali tipologie utilizzate sono:
Tra queste, le carte stereografiche sono le più utilizzate nelle analisi energetiche degli edifici. In questo tipo di rappresentazione, la posizione del sole viene proiettata su un piano di riferimento e ogni latitudine richiede una specifica carta solare, poiché la traiettoria apparente del sole varia in funzione della posizione geografica.
Analizzando una carta solare relativa a una latitudine di 40°N, è possibile identificare una maglia costituita da due famiglie principali di curve:
L’analisi della geometria solare evidenzia come durante il periodo estivo il sole presenti un’altezza maggiore e una durata giornaliera più estesa, mentre in inverno il percorso risulta più basso e le ore di luce diminuiscono.
Applicando una maschera di ombreggiamento al punto di riferimento di una superficie finestrata orientata a Sud, è possibile quindi valutare l’effetto di elementi schermanti quali aggetti orizzontali, frangisole o sistemi di protezione solare.
Sebbene le carte stereografiche siano le più diffuse nelle applicazioni edilizie, in alcuni casi vengono utilizzate anche rappresentazioni ortogonali, particolarmente utili per la valutazione di ostacoli reali presenti nel contesto circostante, come rilievi montuosi o edifici adiacenti, permettendo di analizzare l’impatto delle ombre generate dal contesto sul soleggiamento dell’edificio.
Le moderne analisi energetiche integrano modelli di simulazione dinamica per quantificare l’energia solare incidente su superfici opache e trasparenti in specifici intervalli temporali.
Queste metodologie consentono di:
L’utilizzo di software di simulazione consente inoltre di considerare variabili climatiche, geometrie complesse e ombreggiamenti derivanti dal contesto costruito circostante.
L’analisi del soleggiamento rappresenta una componente essenziale nella valutazione del bilancio energetico dell’edificio.
Il confronto tra:
consente di verificare l’efficacia delle scelte progettuali e il comportamento energetico complessivo dell’edificio.
Nel periodo invernale, se i guadagni solari attraverso le superfici trasparenti risultano inferiori alle perdite per trasmissione, ciò può indicare una configurazione progettuale non ottimale, legata all’orientamento, al dimensionamento delle aperture o alle caratteristiche prestazionali dell’involucro. L’ottimizzazione di tali parametri consente di migliorare il bilancio energetico stagionale e ridurre il fabbisogno per climatizzazione invernale ed estiva.
Barnabas Calder
Anno: 2022
Attraverso questa storia dell'architettura Calder ci mostra come fin dall'antichità l'architettura sia dipesa dalla capacità delle società di produrre energia: dai ripari primordiali dei cacciatori-raccoglitori alle piramidi egizie, dai Greci e Persiani all'Impero Romano e alla dinastia Song, dalla rivoluzione industriale ottocentesca ai giorni nostri.
Il surplus crescente di cibo ha infatti permesso, storicamente, un'indipendenza e specializzazione crescenti della forza lavoro, con edifici monumentali eretti per celebrare e ostentare il potere e le capacità dei sovrani di quelle che inevitabilmente si convertirono in società fortemente gerarchizzate. Una storia dell'architettura inedita e interessante, che non ti lascerà indifferente!
Le strategie di progettazione bioclimatica finalizzate al controllo del soleggiamento possono essere distinte in funzione del fenomeno fisico prevalente: accumulo e gestione dell’energia, gestione dei guadagni radiativi, mediazione termica dell’involucro e ventilazione naturale.
L’accumulo termico rappresenta una strategia principalmente efficace in regime invernale, in quanto consente di immagazzinare l’energia solare durante le ore di irraggiamento e di rilasciarla con sfasamento temporale, contribuendo alla riduzione del fabbisogno per riscaldamento.
Tuttavia, l’inerzia termica svolge un ruolo rilevante anche nel comportamento estivo dell’edificio, in particolare nel contenimento dei picchi di temperatura interna. Tale effetto risulta particolarmente efficace quando è associato a sistemi di schermatura solare, che limitano l’ingresso della radiazione diretta durante le ore critiche del periodo caldo, riducendo così il carico termico sugli elementi massivi.
L’efficacia del sistema dipende principalmente da:
Un esempio applicativo è il Parco della Scienza di Gelsenkirchen, progettato da Kiessler + Partner, in cui una lunga galleria vetrata di 300 metri si affaccia su un lago artificiale, fungendo da serra solare capace di trattenere e distribuire il calore solare durante il periodo invernale, convertendosi in uno spazio aperto e ventilato in estate..
In alcuni sistemi passivi, come particolari configurazioni dei muri Trombe, sono stati storicamente impiegati elementi ad accumulo ad acqua. Grazie all’elevata capacità termica, tali sistemi consentivano una maggiore inerzia e una distribuzione più uniforme dell’energia, migliorando il controllo dinamico delle oscillazioni termiche. Queste soluzioni, sebbene oggi meno diffuse, rimangono di interesse nell’ambito della ricerca e della progettazione bioclimatica per applicazioni specifiche.
Le strategie di controllo dell’irraggiamento risultano particolarmente efficaci in contesti climatici o tipologici in cui la componente estiva dei carichi termici risulta prevalente. In un approccio glazing-first, le aperture vetrate costituiscono l’elemento primario di regolazione dei flussi energetici, determinando in modo sostanziale il comportamento termico e luminoso dell’edificio.
Le prestazioni energetiche dipendono principalmente da:
Su questa base si innestano sistemi di controllo dell’irraggiamento, finalizzati alla modulazione stagionale dei guadagni solari e alla riduzione del rischio di surriscaldamento estivo. Tali sistemi possono essere integrati nell’involucro edilizio o applicati in modo esterno alle superfici vetrate e includono dispositivi fissi o dinamici, come brise-soleil, lamelle orientabili, schermature motorizzate o facciate tessili microforate o tensionate .
Un esempio significativo di integrazione tra controllo dell’irraggiamento e progettazione della facciata è rappresentato dall’Institut du Monde Arabe progettato da Jean Nouvel, in cui la pelle dell’edificio è concepita come un sistema attivo di regolazione della luce naturale e dei guadagni solari attraverso elementi mobili integrati nell’involucro.
La ventilazione naturale riguarda la gestione dei flussi d’aria attraverso fenomeni fisici naturali, quali differenze di temperatura e pressione, con l’obiettivo di migliorare il comfort termo-igrometrico e ridurre il fabbisogno energetico per il raffrescamento degli ambienti interni.
L’efficacia del sistema dipende principalmente da:
Tra i dispositivi più rappresentativi troviamo i camini solari, che sfruttano l’irraggiamento per riscaldare una colonna d’aria e intensificare i moti convettivi ascensionali, aumentando il ricambio d’aria e contribuendo al raffrescamento passivo degli ambienti.
Un’applicazione significativa di tale principio è rappresentata dai BRE Offices, dove sistemi di ventilazione passiva basati su camini solari sono stati integrati per ridurre il fabbisogno energetico legato alla climatizzazione.
La disponibilità di luce naturale negli ambienti interni, derivante anche dalle condizioni di soleggiamento dell’involucro edilizio, influisce in modo significativo sul comfort visivo e sul benessere psico-fisiologico degli occupanti. La luce naturale influisce direttamente sulla regolazione del ritmo circadiano, contribuendo alla sincronizzazione dell’orologio biologico umano attraverso la modulazione dei processi neuroendocrini, inclusa la produzione di melatonina e serotonina, con effetti sul ciclo sonno–veglia, sul livello di attenzione e sul benessere psicofisico.
Dal punto di vista prestazionale, ambienti adeguatamente illuminati naturalmente contribuiscono a:
In ambito progettuale, tali aspetti si traducono nell’integrazione del controllo del daylighting all’interno delle strategie NZEB, attraverso la corretta progettazione dell’orientamento, delle superfici vetrate e dei sistemi di schermatura solare, al fine di garantire un equilibrio tra apporto luminoso, controllo dell’abbagliamento e prestazioni energetiche dell’involucro.
L’analisi del soleggiamento e del comportamento solare dell’involucro non costituisce esclusivamente una scelta progettuale, ma rientra nei requisiti tecnici necessari per il raggiungimento degli standard NZEB (Nearly Zero Energy Buildings) e per la conformità alla normativa energetica nazionale, con particolare riferimento alla Legge 10/1991 e ai relativi decreti attuativi in materia di prestazioni energetiche degli edifici.
In ambito regolatorio, è necessario distinguere tra gli aspetti legati alla disponibilità di luce naturale negli ambienti interni e quelli relativi al controllo dei guadagni solari attraverso l’involucro edilizio. La luce naturale influisce prevalentemente sul comfort visivo e sull’efficienza d’uso dell’illuminazione artificiale, mentre il controllo del soleggiamento è direttamente connesso alla riduzione dei carichi termici estivi e al bilancio energetico dell’edificio.
Tra i principali parametri di riferimento luminoso troviamo il fattore di luce diurna (Daylight Factor, DF), utilizzato per la verifica dei livelli minimi di illuminamento naturale negli ambienti interni al fine di garantire condizioni di comfort visivo e ridurre il ricorso all’illuminazione artificiale, e indicatori dinamici come la Spatial Daylight Autonomy (sDA), che consentono di valutare la disponibilità di luce naturale nel tempo sulla base dell’andamento reale della radiazione luminosa. A questi si affiancano i parametri di illuminamento (lux) e di uniformità, impiegati nella fase progettuale per il controllo del comfort visivo e la riduzione delle condizioni di abbagliamento o disomogeneità luminosa. A livello di guadagni termici, invece,, il fattore solare totale (g_tot) rappresenta il riferimento principale per la valutazione delle prestazioni delle chiusure trasparenti e dei sistemi di schermatura solare, con l’obiettivo di limitare i carichi estivi e prevenire il surriscaldamento degli ambienti interni.
Oggi l’analisi del soleggiamento viene sviluppata attraverso flussi di lavoro digitali integrati che consentono una valutazione dinamica del comportamento dell’involucro rispetto all’irraggiamento solare, ampliando le potenzialità degli strumenti di analisi geometrica tradizionali.
Le tecniche di analisi parametrica, attraverso ambienti di modellazione algoritmica, permettono di generare e confrontare numerose configurazioni di facciata e sistemi di schermatura, valutandone le prestazioni in termini di controllo dei guadagni solari, comportamento stagionale e riduzione del surriscaldamento estivo, nonché di ottimizzazione degli apporti energetici nel periodo invernale. A queste analisi si affiancano strumenti di simulazione avanzata che consentono la valutazione delle condizioni di illuminazione interna e del rischio di abbagliamento, insieme all’analisi dei flussi d’aria mediante simulazioni CFD, utili per lo studio della ventilazione naturale e dei sistemi passivi di raffrescamento.
Il soleggiamento descrive la durata dell’esposizione di una superficie alla radiazione solare diretta, mentre l’insolazione rappresenta la quantità di energia radiante incidente per unità di superficie.
L’orientamento dell’edificio determina la distribuzione temporale e stagionale della radiazione solare sulle diverse facciate. L’esposizione a sud consente generalmente una maggiore captazione dei raggi a bassa inclinazione invernale, mentre le esposizioni est e ovest sono caratterizzate da apporti solari più critici in regime estivo, spesso associati a condizioni di surriscaldamento, e richiedono quindi un controllo più efficace mediante sistemi di schermatura.
Nel quadro normativo italiano per gli edifici ad alte prestazioni energetiche (Legge 10 e requisiti NZEB), il controllo degli apporti solari estivi rientra tra gli aspetti verificati nella valutazione del comportamento dell’involucro. In particolare, viene analizzata l’efficacia dei sistemi di schermatura attraverso parametri come il fattore solare totale (g_tot), al fine di limitare il rischio di surriscaldamento e ridurre il fabbisogno di raffrescamento.
Oltre alle carte solari, l’analisi del soleggiamento viene oggi sviluppata mediante strumenti digitali di simulazione e modellazione parametrica, che consentono la valutazione dinamica dell’ombreggiamento, degli apporti radiativi e delle interazioni tra edificio e contesto urbano. Tra questi rientrano strumenti di simulazione energetica e ambientale come DesignBuilder e IES VE, che permettono la valutazione del comportamento solare dell’involucro e dei relativi effetti sul bilancio energetico e sul comfort interno.
Un’eccessiva esposizione alla radiazione solare può determinare condizioni di discomfort visivo e termico, con fenomeni di abbagliamento, surriscaldamento degli ambienti interni e asimmetrie radianti dovute alla distribuzione non uniforme dei flussi energetici sulle superfici interne, effetti che possono incidere sulle condizioni di benessere e salute degli occupanti.
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