Corso di “Tecniche per le Energie Rinnovabili”
Prof. Giorgio Raffellini
A.A. 2008 - 2009
RACCOLTA DEGLI APPUNTI DELLE LEZIONI
DEL CORSO
(Rivisti dal Docente nell’Ottobre 2008)
1° parte
INDICE
1 RICHIAMI SULLE UNITÀ DI MISURA UTILIZZATE..........................................................3
2 ANALISI DEL FABBISOGNO ENERGETICO E DELLE RISORSE DISPONIBILI............4
2.1 I Fabbisogni nel Mondo ed in Italia.............................................................................4
2.2 Disponibilità delle risorse ............................................................................................8
2.3 La diffusione delle Rinnovabili in Italia e previsioni (rapporto Legambiente 06)........12
3 ENERGIA ELETTRICA.....................................................................................................13
3.1 Produzione d’energia Elettrica...................................................................................14
3.1.2 Centrali termoelettriche......................................................................................16
3.2 Problematiche riguardanti l’energia elettrica..............................................................16
3.3 L’energia elettrica in Italia...........................................................................................18
18
4. QUADRO NORMATIVO ENERGETICO : ieri ed oggi...................................................18
3.4 Legge 10/91 e Decreti attuativi .................................................................................19
3.5 Terminologia..............................................................................................................20
3.6 Decreti attuativi...........................................................................................................20
3.7 Nuove Norme Tecniche e Legislative sulla certificazione energetica .......................21
3.8 Isolamento Termico....................................................................................................25
4 L'ENERGIA SOLARE.......................................................................................................29
4.1 Caratteristiche............................................................................................................30
4.2 Utilizzazione dell’energia solare.................................................................................33
1
RICHIAMI SULLE UNITÀ DI MISURA UTILIZZATE
Unità di potenza : W (watt) = J / s , cioè Joule/secondo = energia / tempo ,
Unità di energia consumata kWh (chilowattora) = (kJ/s * 3600 s ) = 3,6 MJ , dove :
k (chilo) = 10
3
M (mega) = 10
G (giga) = 10
T (tera) = 10
6
9
12
1 TEP( Tonnellata di Petrolio Equivalente ) = circa 7,3 Barili Petrolio= 11628 kWh
1 kWh ( potenza x tempo = misura di energia) = equivalente a circa 8 grammi di
petrolio potenziali
Equivalenze tra fonti energetiche
1 bep (BARILE EQUIVALENTE DI PETROLIO
1 tep (tonnellata equivalente di petrolio)
1 tec (tonnellata equivalente di petrolio)
1.000 m3 gas
bep
1
7,3
5,11
6,023
tep
0,137
1
0,7
0,825
tec
0,196
1,429
1
1,190
km3 gas
0,167
1,212
0,840
1
2
ANALISI DEL FABBISOGNO ENERGETICO E DELLE RISORSE
DISPONIBILI
2.1 I Fabbisogni nel Mondo ed in Italia
Il fabbisogno energetico usualmente si misura in TEP. La sigla TEP indica le
tonnellate equivalenti di petrolio, ed è in sostanza un'unità di misura dell'energia
potenzialmente utilizzabile. Infatti l'umanità potrà usare anche altre fonti energetiche,
ma per queste stime di max la loro potenzialità energetica viene rapportata al potere
calorifico del petrolio, in modo da poter usufruire di una scala di misura unica. La
stima del fabbisogno energetico mondiale fino al 2050 è approssimativamente di 500
miliardi di TEP, che corrisponde a circa il doppio delle riserve di idrocarburi
attualmente disponibili.
Questa è una prima seria nota di allarme, ed occorre anche tener conto del fatto che la
maggior parte delle riserve di petrolio attualmente conosciute sono situate in aree
geografiche politicamente instabili (Arabia e Medio Oriente). Si può dire che la
società in cui viviamo si nutre di petrolio. Basti pensare che nel consumo mondiale
complessivo, i combustibili solidi incidono per 1/4, i gas naturali per poco meno di
1/4, l'energia nucleare per circa il 6 % e tutto il resto spetta al petrolio (circa il 43 –
44%).
Nello scenario di riferimento per i prossimi 20-30 anni, si prevede che i consumi
mondiali di energia aumenteranno costantemente. L’aumento previsto sarà pari a due
terzi della domanda attuale, e tuttavia la crescita prevista sarà più lenta di quella
verificatasi negli ultimi tre decenni, che è stata in media del 2,1% l’anno.
I combustibili fossili rimarranno le fonti primarie di energia, soddisfacendo oltre il
90% dell’aumento della domanda: la richiesta di petrolio aumenterà di circa 1,6%
l’anno, quindi da 75 milioni di barili al giorno nel 2000 a 120 milioni nel 2030. Quasi
tre quarti di questo aumento saranno destinati al settore dei trasporti, poichè si
prevede il petrolio rimarrà il combustibile più scelto nei trasporti: terrestri, marittimi
ed aerei. Di conseguenza, in tutto il mondo, da ogni barile di petrolio si verificherà la
tendenza a ricavare i prodotti raffinati leggeri e medi, come benzina e nafta, ed una
diminuzione di quelli più pesanti, utilizzati soprattutto dall’industria. Questo
spostamento sarà più pronunciato nei paesi in via di sviluppo, i cui mix di prodotti
contengono oggi una percentuale più bassa di combustibili leggeri per i trasporti.
E’ pure previsto che la domanda di metano aumenterà più rapidamente di quella di
tutti gli altri combustibili fossili: da oggi al 2030, il consumo primario di metano
circa raddoppierà, e la quota del metano nel mercato mondiale di energia aumenterà
dal 23 al 28%.
Nei prossimi trent’anni nuove centrali elettriche assorbiranno il 60% dell’aumento
degli approvvigionamenti di metano: la maggior parte di queste utilizzeranno
tecnologie a ciclo combinato con turbine a metano, poiché rappresentano una forma
di produzione favorita dall’ alta efficienza di conversione energetica e dai
relativamente contenuti costi d’investimento.
Il metano viene spesso preferito al carbone ed al petrolio anche per i suoi effetti
relativamente meno inquinanti l’ambiente, soprattutto grazie al suo basso contenuto
di carbonio e zolfo.
Crescerà anche il consumo di carbone, ma più lentamente di quelli del petrolio e del
metano. La Cina e l’India insieme genereranno due terzi dell’aumento della domanda
mondiale di carbone nel periodo considerato. In tutte le regioni, l’uso del carbone si
concentrerà sempre più nella produzione di elettricità, settore in cui rimarrà il
combustibile predominante. Sul lungo termine, la diffusione di tecnologie avanzate
aumenterà la convenienza del carbone come combustibile per centrali elettriche,
soprattutto a causa dell’atteso aumento dei prezzi del metano.Gli Stati Uniti
consumano oggi circa il doppio dell'energia dei Paesi Europei, infatti il consumo procapite annuo negli USA è di 8 TEP, mentre in Francia, Germania, Gran Bretagna e
Giappone è di 4 TEP, ed in Italia è di circa 3 TEP. Il consumo in Italia si mantiene
più basso rispetto ad altri paesi europei per un minor sviluppo industriale, ma anche
grazie ad una recente più accorta politica economica ed ambientale. I consumi di
energia primaria nei principali Paesi del Mondo dal 1970 al 1996 sono costantemente
aumentati ma con cali della percentuale di aumento, eccezion fatta per molti paesi in
via di sviluppo dove il fabbisogno è in costante aumento. Secondo le previsioni (che
notoriamente hanno valori anche assai diversi tra loro a seconda dell'orientamento
politico-economico dell'ente che le pubblica) per il 2020 lo sviluppo mondiale dei
consumi di energia dovrebbe aumentare da un minimo di 11.400 ad un massimo di
15.400 MTEP (megaTEP = 10 TEP). Conseguentemente si registrerebbe ad esempio
un aumento delle emissioni di CO2 dalle attuali 6.000 Mtonnellate a circa 10.000 Mt,
con conseguenti preoccupanti effetti inquinanti.
6
Ed ecco quali sono i fabbisogni in Europa :
Per quanto riguarda il gas le previsioni per l'Europa fino al 2020 sono di un aumento
dei consumi accompagnato, però, da un calo della produzione.
In Italia la media dei consumi del settore residenziale è di circa il 20%, e nel terziario
del 10-13% dei consumi totali, con valori minori al sud in virtù del clima più caldo, .
essi sono in gran parte dovuti al riscaldamento e al condizionamento. Quest'ultima
voce in particolare, con l'avvento dei condizionatori d'aria, ha subito negli ultimi anni
un aumento considerevole, tanto che in alcune località turistiche, ma in generale in
tutto il Paese, si registrano consumi estivi confrontabili o addirittura superiori a quelli
invernali. Qui di seguito vengono riportate le suddivisioni dei consumi complessivi
nel 1987, che negli anni successivi hanno subito variazioni percentuali modeste.In
Italia attorno all’anno 2000 il consumo interno lordo è stato di 174 MTEP , con valori
all’incirca costanti negli ultimi anni fino ad oggi . Di questi si producono in tutto
circa 34 MTEP, se ne importano 157, ed esportano 17 (ma solo dopo averli importati
e lavorati, dunque vengono anche quelli dall'estero).
Quindi il consumo energetico in Italia è per almeno l’85 % di importazione.
In Italia l'energia è al primo posto pressoché costantemente sulla bilancia dei
pagamenti in uscita, soltanto a volte in estate scendeva al secondo. La previsione di
domanda energetica per il 2010 annuncia un modesto aumento, dunque, se non ci
saranno sviluppi imprevisti della produzione energetica nazionale, le importazioni
sono destinate ad aumentare proporzionalmente.
Per legge è obbligatorio il "bunkeraggio", ossia l'immagazzinamento di una certa
quantità di materie energetiche in luoghi sicuri, escludendola dalla distribuzione, in
modo che sia garantito un minimo di autosufficienza per brevi periodi di crisi.
La quota attuale di materie energetiche destinate al bunkeraggio è di circa 4 MTEP
sui 174 totali di consumo interno lordo nel 2000.
2.2 Disponibilità delle risorse
Dal 1973 al 1990 le riserve accertate di petrolio degli USA sono dimezzate, mentre
quelle del Sud America sono aumentate grazie alla scoperta di nuovi giacimenti, così
come in Medioriente dove sono raddoppiate. Il problema è che la scoperta di nuove
riserve non aumenta proporzionalmente all'aumento dei fabbisogni, dunque
continuando di questo passo si stima che il petrolio disponibile potrebbe finire al
massimo tra 30 anni. Per quanto riguarda il gas naturale ed il carbone (combustibili
che permettono utilizzazioni alternative rispetto al petrolio), invece, c'è meno
penuria, ma il primo viene consumato molto rapidamente, mentre l'altro è attualmente
molto inquinante.
Il petrolio viene estratto dai giacimenti, ma non è quasi mai lavorato sul posto,
dunque viene trasportato con le navi o attraverso gli oleodotti, cioè lunghissimi
sistemi di tubature, con stazioni di pompaggio disposte circa regolarmente a distanza
di qualche decina di km lungo il percorso. Una volta giunto negli stabilimenti di
lavorazione, il petrolio viene sottoposto ai trattamenti termochimici nelle torri di
distillazione. Il termine tecnico che indica queste lavorazioni è "cracking": a seconda
del tipo di cracking cui è sottoposto il greggio si ottengono, in percentuali
leggermente variabili: benzine, gasoli, nafte e bitumi di scarto, che sono molto
viscosi. E' importante ricordare anche che tutte le plastiche sono derivati del petrolio,
così come il bitume e molte altre materie molto diffuse, ma con il petrolio si
ottengono anche alcuni componenti per medicinali !.
Va anche sottolineato che nel settore dei trasporti appare difficile la sostituzione dei
combustibili fossili (petrolio e gas) con altri combustibili, fra l’altro è oggi difficile
immaginare un aereo che , anziché usare il kerosene (derivato dal petrolio) com’ è
ora, utilizzi legna o carbone , o altro . !
In particolare l'energia elettrica, che è tra le più pregiate forme d’energia, perché
permette numerosissime applicazioni ed è facilmente distribuibile, appare a noi
indispensabile, mentre pare che nel mondo almeno un quarto della popolazione non
ne goda la sua disponibilità .
La penetrazione dell'energia elettrica (ossia la parte del fabbisogno energetico
complessivo coperta dall'energia elettrica) nel mondo è in media il 37%. L'Italia
copre il 37% della richiesta nazionale di gas naturali con le proprie risorse, e deve
importare il resto; per quanto riguarda il carbone ed i combustibili solidi, invece, ha
una produzione quasi nulla. Per l'importazione di gas naturali ci sono i grandi
metanodotti che vanno in Russia, Algeria, Tunisia, Olanda, ma importiamo anche
Libia , tramite navi metanifere e rigassificatori. Queste sono grandissime opere, con
tubazioni che passano sotto i mari e sopra montagne, ma hanno il difetto di essere
molto “fragili”, non tanto tecnicamente, quanto politicamente, e per gesti vandalici, in
quanto su un percorso di 6000 km può bastare poco a bloccarle ed è non facile
controllarle. L'Italia compra il gas naturale anche da altri Paesi più lontani, ma non
attraverso metanodotti, così esso viene trasportato da navi metanifere che tengono il
liquido in serbatoi a bassissima temperatura. Questo tipo di trasporto, però richiede
molta cautela, perché una percentuale del 7 - 15% di metano nell'aria è miscela
esplosiva, dunque si odorizza il gas per potersi accorgere il prima possibile di
eventuali fuoriuscite. Inoltre, servirebbero più centrali di degassificazione (passaggio
da metano liquido sulle navi a gassoso in tali centrali9 per poi venire distribuito dalle
reti (metanodotti interni).
E’ previsto che l’utilizzo del nucleare si ridurrà considerevolmente, perché verranno
costruiti pochi reattori nuovi e dismessi alcuni vecchi. La produzione nucleare
raggiungerà un valore di picco alla fine del presente decennio, poi calerà
gradualmente. Il suo contributo alla domanda primaria mondiale rimarrà stabile a
circa il 7% fino al 2010, poi scenderà al 5% verso il 2030. Il suo contributo alla
produzione complessiva di elettricità calerà ancora più rapidamente, dal 17% nel
2010 al 9% nel 2030. Secondo le previsioni, i cali più forti della produzione nucleare
si verificheranno nell’America settentrionale e nell’Europa, mentre aumenterà
leggermente soltanto in alcuni paesi, soprattutto asiatici. Tuttavia, le prospettive per il
nucleare sono alquanto incerte, poiché, pur considerandone, i pericoli, alcuni governi
hanno espresso interesse all’opzione nucleare come mezzo per ridurre le emissioni e
migliorare la sicurezza d’approvvigionamento. Tali argomenti sono, però, oggetto di
vivaci discussioni fra tecnici e politici in ogni parte del mondo.
Le fonti rinnovabili avranno un ruolo crescente nel mix mondiale di energie primarie.
Quella idrica è da molto tempo una delle maggiori per la produzione di elettricità, il
suo contributo all’energia primaria mondiale rimarrà al livello attuale, ma il
contributo percentuale alla produzione di elettricità diminuirà.
Le altre fonti rinnovabili, considerate nel loro insieme, cresceranno più rapidamente
di qualsiasi altra fonte energetica primaria, al tasso medio annuo del 3,3% annuo nel
periodo considerato. E fra queste, saranno l’energia eolica e quella da biomassa a
crescere più velocemente, soprattutto nei paesi dell’OCSE. Tuttavia, nel 2030 le fonti
rinnovabili, diverse dall’idrica, percentualmente influiranno poco sulla domanda
mondiale, perché partono da valori molto bassi. La maggior parte della crescita delle
fonti rinnovabili si avrà nei paesi dell’OCSE, molti dei quali hanno adottato misure
forti per promuovere progetti basati sul loro sfruttamento.
E’ stimata, da fonti
ministeriali, una produzione di energia da rinnovabili per il 2020 attorno al 15 – 20
% , percentuale variabile soprattutto in funzione degli incentivi erogati e
dall’aumento , difficilmente prevedibile, delle fonti fossili, in primis il petrolio , che
nell’anno 2008 ha avuto un prezzo oscillante fra 95 e 150 $ /barile !
2.3 La diffusione delle Rinnovabili in Italia e previsioni (rapporto Legambiente 06)
A . solare termico (collettori) : obiettivo per fine 2010 : 275 m2/ogni 1000 abitanti
per produzione di acqua calda sanitaria, si vorrebbe installati circa 16 milioni di m2,
B. solare fotovoltaico : circa 100 MW installati entro lo stesso termine , grazie ai
nuovi incentivi (conto energia, e certificazione),
C. eolico : potenza installata prevista al 2010 circa 2.000 MW , cioè a soddisfare i
fabbisogni di più di un milione di famiglie medie,
D. biomasse : da scarti di potature e lavorazione del legno per combustione diretta,
oppure biogas da reflui , o energia da RSU, o da lavorazioni agricole finalizzate ,
senza previsioni ma con molte attese !,
E. geotermia incentivando i siti attuali : Larderello e Monterotondo,
F. idroelettrico : da grandi salti , ma soprattutto da piccoli salti o derivazioni.
3
ENERGIA ELETTRICA
In Italia si ricava poca en. dalle fonti idro–geo–rinnovabili: in Toscana l’utilizzo
dell’en. geotermica è alta per Larderello.
Austria e Svezia hanno molte centrali idroelettriche, taqnto da essere autosufficienti.
La Francia utilizza molto le centrali nucleari.
In Italia avevamo alcune centrali nucleari (Ispra, Caorso, …) ma poi le abbiamo
chiuse, dopo il referendum del 1987.
Il pericolo rimane comunque, basti pensare all’incidente di Chernobil nel 1986, che
pur distante da noi 1500 Km, ha comportato effetti assai preoccupanti!
Saldo import-esport elettrico: in Austria è nullo perché è in grado di provvedere al
proprio fabbisogno soprattutto mediante centrali idroelettriche, la Francia, con tante
centrali nucleari, esporta, l’Italia importa molto (più del 20% del suo fabbisogno).
Il consumo e quindi la richiesta di energia elettrica sta aumentando in tutti i paesi
industrializzati tra cui l’Italia. Nel nostro paese la domanda di energia elettrica nel
’94 era pari a 254 miliardi di kWh, con un aumento del 2,9 % rispetto al ‘93 e del
34% da allora, cioè nell’ultimo decennio. Anche il consumo pro capite è uno tra i più
bassi dei paesi industrializzati: peraltro la media mondiale del consumo pro capite è
circa 1,5 TEP/anno. Va segnalato con meraviglia che viene valutato che circa un
quarto della popolazione mondiale non utilizza energia elettrica.
La situazione italiana non è particolarmente felice perché ha un’elevata dipendenza
dall’estero (per la fornitura di energia elettrica compra parecchio dalla Francia) e una
scarsa differenziazione delle fonti di produzione.
N.B. Differenza tra potenza e consumo
L’impegno di potenza max erogata dalla ditta erogatrice di energia elettrica (ENEL o
altro) viene stabilito per contratto ed è espresso in kW (ad esempio nelle civili
abitazioni la potenza max assorbibile è generalmente pari a 3 kW).
Il consumo è energia, cioè potenza in un determinato intervallo di tempo, ed è
espresso in kWh. Ad esempio un complesso come Santa Verdiana consuma
mediamente circa 15000 € al mese di energia elettrica. All’utente l’energia elettrica
costa circa 375 Lire = 0,185 € al kWh. Quindi in casa posso prendere l’ energia che
serve , ma la potenza massima deve essere preventivamente fissata per contratto.
Infatti, l’Enel crea dei condotti di distribuzione (fili, cavi) in previsione del numero
degli utenti e della potenza max da loro richiesta in una determinata zona; ad esempio
se ho una strada con 100 utenti con contratti da 3 kW ciascuno, l’Enel prevederà un
conduttore in grado di portare 300 kW.
In ogni produzione di energia ne viene persa una certa quantità già alla produzione:
per quella termoelettrica la perdita si aggira intorno al 33 %, mentre circa il 15%
viene perduta nelle linee di trasmissione e distribuzione, per cui da 100 unità
d’energia potenziale all’arrivo , cioè all’utilizzo ne perviene circa la metà.
Un altro problema dell’energia elettrica è che è difficilmente cumulabile (solo con
batterie, quindi non per elevate potenze), pertanto il suo uso è istantaneo, e quindi
tutta quella prodotta quando non c’è richiesta viene dispersa. Se al posto delle centrali
termoelettriche, che funzionano sempre allo stesso regime, si fossero potenziate
quelle idroelettriche, che possono funzionare a seconda delle reali necessità, questo
problema sarebbe in larga misura superato.
Poi, l’energia elettrica deve essere trasportata e durante il trasporto ne viene persa
circa un sesto/settimo, e poichè la perdita è inversamente proporzionale alla
differenza di potenziale, quindi il trasporto è bene avvenga ad alta tensione.
In Italia si trasporta en. el. ad alta tensione (per le linee principali di solito a 130 kV);
più è elevata la tensione minore è la perdita. Con il trasporto ad alta tensione si perde
circa il 10-15% , pari a circa 1/6 di energia, se la trasportassi a 20V ne perderei il
99%. L’energia elettrica si trasporta o per linee aeree sospese, o per cavi interrati, e
comunque con reti molto costose, basti pensare ad esempio che un traliccio ad alta
tensione costa più di 50.000€, mentre interrare i cavi non ha un costo molto elevato,
sono i cavi stessi e la loro protezione a costare parecchio, complessivamente più di
quelle aeree.
Il valore di mercato dell’energia elettrica cambia a secondo del momento della
giornata, cioè se c’è più richiesta o meno (vedi fig.). L’Enel, o altro distributore, ha
quattro fasce orarie di prezzo, durante la notte l’en. costa un quinto del prezzo delle
ore di punta.
Diagramma di carico giornaliero in una città medio-piccola durante un giorno feriale
3.1 Produzione d’energia Elettrica
Per produrre energia elettrica è fondamentale disporre di lavoro (albero rotante) per
ottenere tramite un flusso magnetico indotto (statore con poli Nord-Sud ed
avvolgimenti metallici sull’albero rotante) ai capi di tali avvolgimenti una differenza
di potenziale elettrico (fem).
Le centrali termoelettriche funzionano sempre a pieno regime, si fermano solo ogni
2-3 anni per manutenzione e quindi c’è molto spreco. Molto più interessante è la
produzione istantanea delle centrali idroelettriche. Dal ’60 in poi praticamente non
vengono più costruite le centrali idroelettriche per ragioni economiche e politiche.
Adesso è possibile, in Italia, anche per i privati produrre en. el. e venderla all’Enel.
3.1.1 Centrale idroelettrica
Descrizione molto semplificata di una tipica centrale idroelettrica: a monte, dove è
possibile, si chiude un fiume con una diga, e, quando si vuol far defluire l’acqua per
creare energia elettrica, in genere nei momenti di punta, si aprono le paratie.
L’acqua scende a valle nelle condotte forzate (grosse condutture di diametro 1-1,2 m
e preferibilmente molto ripide) fino ad arrivare alla centrale. A valle c’è una turbina
che muove l’albero, tagliando un campo magnetico si crea così una differenza di
potenziale (stesso funzionamento della dinamo di una bicicletta, ad esempio).
Equazione bilancio energetico per un kg di acqua tra la sez.1 (livello pelo libero
dell’acqua nel bacino) e sez.2 (sbocco a valle all’ingresso in turbina):
W2 − W1
( P 2 − P1) + R = L
+ g ( z 2 − z1 ) +
,
2
ρ
dove :
W velocità media dell’acqua nella sezione (m/s),
g accelerazione di gravità = 9,81 m/s 2 ,
Z quota sul liv. mare (m)
P pressione atmosferica (bar)
ρ
densità dell’acqua (kg/m 3 ),
R perdite di carico nel circuito (bar) , deve essere pressochè trascurabile,
L lavoro ottenibile (J),
ed ancora :
W1 = 0 circa perché l’acqua è quasi ferma , P1 = circa P 2
E’ importante che il dislivello sia elevato (Z 2 – Z 1), affinché l’acqua nella condotta
forzata scenda velocemente e la maggior parte dell’energia potenziale si trasformi in
en. cinetica, e quindi in lavoro L.
Quando non è possibile utilizzare grandi dislivelli bisogna usare grandi portate
d’acqua (centrale idroelettrica per basse cadute). L’obiettivo è quello di produrre
lavoro (L) a spese di energia potenziale (caduta di livello) o cinetica (portata), e con il
lavoro prodotto far girare l’albero di una turbina.
3.1.2 Centrali termoelettriche
Ogni volta che si brucia un atomo di carbonio (metano, petrolio, carbone) si emette,
oltre ad altri inquinanti, la CO2 (anidride carbonica), quindi si produce inquinamento.
Nelle centrali termoelettriche c’è bisogno di un combustibile che viene bruciato in
una caldaia, e quindi emette gas e scorie. Nella caldaia, grande come una stanza, si
produce vapore d’acqua (reazione esotermica). Il vapore esce dalla parte superiore
della caldaia e viene iniettato tramite opportuni ugelli, seguendo un breve percorso, in
una turbina a vapore. Nella turbina ci sono le palette fissate attorno ad un asse, alla
fine del quale ci sono gli avvolgimenti elettrici e si produce en. el. Il vapore poi
espanso nella turbina ha bisogno di essere raffreddato tramite un condensatore, per
poi diventare acqua che viene ripompata in caldaia per ricominciare il ciclo.
E’ facile che le centrali siano sul mare, ad esempio Porto-Tolle (FE) e La Spezia,
perché possono utilizzare l’acqua di mare per raffreddare e perché è più semplice
ricevere via mare il combustibile (petrolio o carbone).
3.1.3 Centrali geotermiche
A Larderello non serve la caldaia perché si prelevano dal terreno i soffioni di vapore
molto caldo. A valle le apparecchiature sono le stesse.
3.1.4 Centrali nucleari (reattore ad uranio)
Nel reattore nucleare avviene il bombardamento che produce una reazione esotermica
e si produce en. el. nello stesso modo che nelle centrali termoelettriche. La caldaia è
sostituita dal reattore, dove avviene una reazione controllata, mentre nelle bombe
nucleari la reazione avviene a catena, senza controllo!
3.2 Problematiche riguardanti l’energia elettrica
Circa un terzo del fabbisogno energetico italiano è consumato sotto forma di energia
elettrica. Il nostro paese importa energia elettrica da Francia, Svizzera, Germania,
Austria, Cecoslovacchia, Jugoslavia, Albania e Grecia.
Verso alcuni paesi stranieri si verificano anche esportazioni di energia elettrica,
perché molte delle nostre centrali devono lavorare a ciclo continuo, e quindi in certe
ore della notte hanno un surplus di produzione. Questa energia, però, si esporta
quando la richiesta è bassa e dunque costa poco, mentre la si importa nelle ore di
maggiore richiesta, e dunque a prezzi molto più alti.
Questa situazione è il risultato di diverse scelte politico-economiche, ad esempio nel
1973 in conseguenza della primo conflitto arabo-israeliano si verificò una gravissima
crisi petrolifera, durante la quale era un problema anche l'approvvigionamento di
gasolio per i riscaldamenti di case e fabbriche. Questo avvenimento segnò uno
spartiacque per la politica energetica mondiale.
In Francia, per esempio, in seguito a quella crisi si decise l'adozione dell'energia
nucleare per usi civili (elettrico). In Italia, il referendum del 1987 decise invece per il
no al nucleare, e pertanto vennero chiuse anche le poche (Caorso, Montalto) già
esistenti o in fase di costruzione.
Il problema è sorto perché dopo il no al nucleare non si sono cercate alternative, ad
esempio si sarebbero potute incentivare le centrali idroelettriche, così dal 1973 in poi
le importazioni sono aumentate sempre più, in proporzione allo sviluppo del paese.
La produzione di energia in centrali termoelettriche genera inquinamento, in genere
gli scarti della produzione di energia sono ossidi di zolfo (SOx) e ossidi di azoto
(NOx).
Una volta liberati in atmosfera questi elementi reagiscono con il vapore acqueo
presente, portando così alla formazione di HSOx (acidi solforici) e HNOx (acidi nitrici),
che sono altamente corrosivi. Le centrali immettono in atmosfera migliaia di
tonnellate di queste sostanze, oltre ad elevate emissioni di CO2, che pare il principale
responsabile dell'effetto serra.
Le centrali idroelettriche, invece, non producono emissioni inquinanti e producono
grandi quantità di energia, il loro unico inconveniente è l'elevato impatto ambientale
dovuto alla chiusura di una valle e al suo allagamento.
La conseguenza di questa politica energetica è che mentre in media nel mondo
petrolio e gas naturali soddisfano insieme il 25% del fabbisogno energetico, in Italia
questa percentuale sale all’80%.
Inoltre l'Italia, tra i paesi più sviluppati, è, insieme al Giappone quella più dipendente
dall'estero per il suo fabbisogno energetico in generale, ed elettrico in particolare.
L'argomento, comunque ha molte sfaccettature, e anche a posteriori non è facile dire
quali siano state le scelte giuste e quali no.
La Francia, ad esempio, in virtù dell'installazione sul suolo nazionale di centrali
nucleari ora è quasi in pari con il bilancio energetico elettrico, ma qual è il prezzo da
pagare per questo? Le centrali nucleari una volta avviate producono in continuazione,
ma i prezzi e soprattutto i rischi sono elevati. Peraltro, attorno all’Italia vi sono molte
centrali nucleari (in Francia, Svizzera, Croazia), per cui l’Italia, assieme a loro, gli
stessi rischi, senza averne i benefici!
Per quanto riguarda le energie alternative, in generale non sono soluzioni risolutive. Il
solare, l'eolico sono sistemi che presentano molti vantaggi, primo fra tutti quello di
non inquinare, salvo l’impatto visivo, seguito dalla possibilità di produrre energia in
loco e da molti altri, ma devono abbassare molto il loro prezzo di realizzazione per
essere competitivi con gli idrocarburi.
Inoltre un dato di cui bisogna sempre tenere conto è il fatto che l'energia elettrica è
molto versatile e pregiata, ma nei vari passaggi: nella sua produzione e nel trasporto
ne vanno dispersi circa i due terzi.
Dunque nella nostra presa di corrente elettrica arriva solo il 30% dell'energia primaria
(in potenzialità), e di essa nella lampadina ad incandescenza viene sfruttato solo il 2%
per fare luce, dunque gli sprechi sono enormi, e ricordarsi di spengere sempre la luce
quando non serve (monito ricorrente dei nostri nonni negli anni ’50!) sarebbe già un
bel risparmio.
3.3 L’energia elettrica in Italia
Le centrali che producono en.
elettrica in Italia sono
suddivise
nelle
seguenti
percentuali: il 32% brucia olio
combustibile, il 20% sfrutta
l'energia idroelettrica, il 36%
brucia gas naturale, l'8% il
carbone.
Dal '90 ad oggi il numero
delle centrali termoelettriche a carbone è in costante calo per i problemi di trasporto
ed inquinamento che per questo materiale sono notevoli, ed inoltre anche il carbone
viene importato. Una possibilità di sfruttamento alternativo del carbone sarebbe
quella del carbone gassificato, che comporta minor inconvenienti, ma, per ora
rappresenta una fetta minima del mercato energetico.
In Italia un 10% della potenza elettrica complessiva è generata dagli autoproduttori,
principalmente con impianti idroelettrici, di cogenerazione o di valorizzazione dei
rifiuti. Ci sono anche alcuni autoproduttori nel settore idroelettrico, cioè gruppi di
investitori che, con il permesso dello stato, creano il lago artificiale oppure realizzano
una presa lungo un fiume, quindi costruiscono la centrale e poi utilizzano per sé o
vendono l'energia prodotta. Le più grandi centrali idroelettriche italiane sono situate
sulle Alpi, in misura minore sugli Appennini, quelle mini sono sparse sul territorio.
Analizzando i dati statistici sulla composizione della tariffa elettrica media nazionale
si può notare come essa sia rappresentata per il 10,6% dagli oneri generali (1,2
cent/kWh), per il 41,5% dai costi fissi (generazione, trasporto, distribuzione - 4,75
cent/kWh), per il 38% dal costo dei combustibili (4,34 cent/kWh) e per il 9,9 % dalle
imposte (1,136 cent/ kWh). L'energia idroelettrica, in Italia è una risorsa
sottosfruttata, infatti il paese è ricco di corsi d'acqua, e bastano anche piccoli salti per
produrre energia elettrica. Si potrebbero sfruttare anche i microgeneratori, ossia
piccole eliche che immerse in acqua corrente creano energia elettrica sfruttabile
anche a dimensione modesta (quasi a livello familiare).
Le prospettive per il futuro, dunque, non sono molto rosee, visto che l'attuale prezzo
del petrolio è arrivato a più di 100 $ a barile,con punte fino a 150 , e tutto fa pensare
che da ora in poi tale cifra non possa fare altro che salire.
4. QUADRO NORMATIVO ENERGETICO : IERI ed OGGI
Il problema energetico venne affrontato per la prima volta in ambito normativo a
seguito della grande crisi energetica del 1973. Infatti, la prima legge al riguardo è la
373 del 1976, con la quale si impose l'isolamento termico negli edifici di nuova
fabbricazione.
Nel 1977 vengono stabilite le aree climatiche, cui adattare la legge 373.
Già in tale Legge si prevedeva il calcolo del fabbisogno termico da presentare in
comune con i calcoli di Cd = coefficiente volumico di dispersione , di Cv =
coefficiente volumico per la ventilazione , e di Cg = coefficiente volumico globale,
allegati al progetto dell'isolamento e dell'impianto dell'ab
itazione.
Nel 1982 questo obbligo fu esteso anche agli edifici industriali, e con un’altra Legge
(n.308), si favoriva e incentivava il contenimento dei consumi energetici e l'uso di
energie rinnovabili.
Nel 1983 viene pubblicata la legge 645 contenente disposizioni per l'esercizio degli
impianti di riscaldamento, che ne limitano l'impiego ad un numero massimo di ore
per ogni giorno ed il periodo nell’anno.
3.4 Legge 10/91 e Decreti attuativi
Le Leggi attualmente vigenti in campo di regolamentazione della produzione, del
risparmio e dei consumi energetici sono le 9 e 10 del 1991.
In tale anno uscì la legge 9 contenente le norme per l'attuazione del piano energetico
nazionale. Questa legge riguarda i grandi consumatori di energia e dedica un capitolo
agli impianti idroelettrici, uno agli idrocarburi, di cui incentiva la ricerca sul suolo
nazionale, e così via fino al capitolo in cui sancisce le norme per gli autoproduttori di
energia elettrica e per gli enti locali.
Sempre del 91 è la legge 10 i cui primi due articoli hanno l'obbiettivo di migliorare i
processi di produzione, di imporre un uso razionale dell'energia, di contenere i
consumi, di sviluppare le fonti rinnovabili. Il terzo articolo specifica che per fonti
rinnovabili si intendono: l'energia solare, eolica, idraulica, geotermica, quella dovuta
alle maree e al moto ondoso, quella proveniente dalla trasformazione termica dei
rifiuti, la cogenerazione e le fonti assimilate, fra cui il risparmio energetico ottenuto
con gli isolanti termici nelle superfici disperdenti.
Nella Legge 10/91, un capitolo molto importante, e complesso, a questo proposito è
quello riguardante la climatizzazione degli edifici, ed in particolare il loro
riscaldamento invernale, ed i sistemi per evitare le dispersioni di calore attraverso
l'involucro.
La Legge 10/91 è la Legge quadro che ha fissato gli obiettivi del PEN (Piano
Energetico Nazionale); per l’attuazione rimanda a decreti incentrati su due obiettivi:
sistema edificio e sistema impianto. Mancano però ancora i decreti riguardanti l’art. 4
comma 1-2, che riguarda le tipologie degli edifici. E’ stato emanato il Decreto che
riguarda gli impianti, ma non è sufficiente un buon impianto per sopperire ad una
cattiva progettazione. Per la Legge Bassanini la certificazione energetica è diventata
di competenza regionale, di recente (Dic. 2002) è stata emanata al riguardo anche una
Normativa Europea, che dovrà essere recepita entro tre anni (inizio 2006).
Il settore residenziale e commerciale rappresenta poco meno del 40 % dei consumi
totali e questo riguarda soprattutto gli edifici.
3.5 Terminologia
Concetto di edificio: spazio delimitato da un involucro riscaldato con energia da un
unico impianto. Può trattarsi di un condominio con impianto centralizzato , oppure
un complesso dove ogni appartamento ha la propria caldaia, quindi si hanno vari
edifici con diverse condizioni termiche.
Zona termica: l’impianto deve permettere di considerare e gestire in modo diverso le
varie zone termiche. Per il DPR 551 è obbligatorio che ogni alloggio o unità
immobiliare abbia un impianto indipendente con propria termoregolazione e controllo
dell’erogazione effettiva.
Libretto di impianto e/o di centrale: ogni caldaia deve averlo, e ogni due anni si
deve registrare sul libretto d’impianto il controllo del tecnico per quelle più piccole,
cioè < 35 kW;ed ogni anno per quelle di potenzialità maggiore sul libretto di centrale.
3.6 Decreti attuativi
Il DPR 412/93 regola la parte impiantistica e introduce alcuni nuovi fattori, è stato
poi in parte rivisto dal DPR 551/99.
I decreti rimandano ad una normativa tecnica (UNI) che non ha cogenza a meno che
non sia richiamata da un decreto, altrimenti sono facoltative. Ovviamente averle
rispettate, in caso di problemi pone il progettista a riparo da rischi. Così nel 94
vengono rese cogenti le norme UNI che riguardano l'argomento norme (UNI, 10300).
Per quanto riguarda il sistema edificio-impianto, la normativa, oltre al Cd<Cd lim già
presente nella L.373, ha introdotto nuovi parametri di verifica:
- FEN fabbisogno energetico normalizzato
- η g rendimento globale dell’impianto
Cd coefficiente volumico di dispersione per trasmissione termica.
Secondo la legge attuale il coefficiente volumico di dispersione limite (Cd lim)
dipende dal rapporto tra la superficie lorda disperdente e il volume, e dai gradi giorno
(GG). I gradi giorno sono un’ unità di misura convenzionale, che è indice della
rigidezza del clima di una certa zona (ad esempio a Firenze si hanno 1820 GG,
Bologna 2260, Sondrio 2755).
Il volume lordo da riscaldare e la superficie esterna disperdente, dunque, sono dati
fondamentali per tali limitazioni.
Infatti maggiore è il volume maggiore sarà l'energia necessaria a riscaldarlo. E' per
questo ad esempio che in Trentino, dove il clima è rigido, per il risparmio energetico
la regione impone un limite massimo per l’altezza dei soffitti di locali abitativi di
2,5m.
A parità di volume contenuto, la superficie disperdente minore è la sfera, infatti gli
igloo funzionano bene nei climi polari perché hanno forma emisferica, e il rapporto
S/V minore.
Per affrontare il problema delle dispersioni sia la Legge 373, prima, che ora la Legge
10 introducono il "coefficiente volumico di dispersione termica" Cd definito con la
seguente formula:
Dove Qd = quantità di calore dispersa globale nell’unità di tempo (J / s = W)
V = volume dell'ambiente riscaldato (m )
3
Ki = coefficiente globale di scambio termico dell’elemento disperdente i-esimo
(es. pavimento, finestra, parete, ecc.) (W / m °C)
2
Si = Superficie dell’elemento i-esimo (m )
2
Cd = dispersione termica dell'involucro per unità di volume e di differenza di
temperatura (W / m °C)
3
Cv = dispersione termica dovuta al ricambio d'aria (W / m °C)
3
Klj= coefficiente lineico dovuto al ponte termico (W / m °C)
Δt = differenza di temperatura tra interno ed esterno (°C)
lj = lunghezza dell’elemento i-esimo (m),
dove:
K=
1
1
+
αi
∑
i
si
+
λi
∑
1
1
+
ck α e
, e:
αi , αe = coeff.di scambio termico superficiale interno ed esterno (W / m °C)
2
si = spessore dello strato i-esimo (m)
λi = coefficiente di conduttività termica dello strato (W/m°C)
Ck = coeff. di conduttanza termica per gli strati non omogenei (es. solaio in
laterocemento) (W / m °C) .
3.7 Nuove Norme Tecniche e Legislative sulla certificazione energetica
Attuazione della Direttiva 2002/91/CE relativa al rendimento energetico in edilizia
Dlgs 192 del 19 agosto 2005 e Dlgs 311 del 26 dicembre 2006
TITOLO I – Principi generali
Art 1 criteri generali e finalità : recepimento della Dir. Eur. 2002/91/CE, stabilisce i criteri, le
condizioni e le modalità per migliorare le prestazioni energetiche degli edifici al fine di favorire
lo sviluppo, la valorizzazione e l'integrazione delle fonti rinnovabili e la diversificazione
energetica, il raggiungimento degli obiettivi nazionali posti dal protocollo di Kyoto.
Disciplina:
a) la metodologia per il calcolo delle prestazioni energetiche degli edifici;
b) l'applicazione di requisiti minimi in materia di prestazioni energetiche degli edifici;
c) i criteri generali per la certificazione energetica degli edifici;
d) le ispezioni periodiche degli impianti di climatizzazione;
e) i criteri per garantire la qualificazione e l'indipendenza degli esperti incaricati della
certificazione energetica e delle ispezioni degli impianti;
f) la raccolta delle informazioni e delle esperienze, per l'orientamento della politica
energetica;
g) la promozione dell'uso razionale dell'energia anche attraverso l'informazione e la
sensibilizzazione degli utenti finali, la formazione e l'aggiornamento degli operatori del
settore
Art 2 definizioni principali
Art 3 ambito di intervento:
1. Si applica, per il contenimento dei consumi energetici a:
a. progettazione e realizzazione di edifici di nuova costruzione e degli impianti in essi
installati, di nuovi impianti installati in edifici esistenti, delle opere di ristrutturazione
degli edifici e degli impianti esistenti;
b. esercizio, controllo, manutenzione e ispezione degli impianti termici degli edifici;
2. Nel caso di ristrutturazione di edifici esistenti, e per quanto riguarda i requisiti minimi
prestazionali e' prevista un'applicazione graduale in relazione al tipo di intervento, con
diversi gradi di applicazione:
a. applicazione integrale a tutto l'edificio nel caso di:
1. ristrutturazione integrale degli elementi edilizi costituenti l'involucro di edifici esistenti di
superficie utile superiore a 1000 metri quadrati;
2. demolizione e ricostruzione in manutenzione straordinaria di edifici esistenti di superficie
utile superiore a 1000 metri quadrati;
b. applicazione integrale, ma limitata al solo ampliamento dell'edificio nel caso che risulti
volumetricamente superiore al 20% dell'intero edificio esistente;
c. applicazione limitata al rispetto di specifici parametri, livelli prestazionali e prescrizioni,
nel caso di interventi su edifici esistenti, quali:
1. ristrutturazioni totali o parziali e manutenzione straordinaria dell'involucro edilizio (ad
esclusione delle categorie sopra citate);
2. nuova installazione di impianti termici in edifici esistenti o ristrutturazione degli stessi;
3. sostituzione di generatori di calore.
Sono esclusi dall’applicazione del decreto:
a. gli immobili ricadenti nell'ambito della disciplina dei beni culturali e del paesaggio;
b. i fabbricati industriali, artigianali e agricoli non residenziali quando gli ambienti sono
riscaldati per esigenze del processo produttivo;
c. i fabbricati isolati con una superficie utile totale inferiore a 50 mq;
d. gli impianti installati ai fini del processo produttivo.
Art 4 Adozione di criteri generali, di una metodologia di calcolo e requisiti della prestazione
energetica:
Entro centoventi giorni dalla data di entrata in vigore del decreto, con uno o più decreti del
Presidente della Repubblica, sono definiti:
i criteri generali, le metodologie di calcolo e i requisiti minimi finalizzati al contenimento dei
consumi di energia;
i criteri generali di prestazione energetica per l'edilizia sovvenzionata e convenzionata
pubblica, privata e ristrutturazioni;
i requisiti professionali degli esperti cui affidare la certificazione energetica degli edifici e
l'ispezione degli impianti di climatizzazione.
I requisiti minimi di prestazione energetica saranno rivisti ogni cinque anni e aggiornati in
funzione dei progressi della tecnica.
Art 5 meccanismi di cooperazione
Art 6 certificazione energetica degli edifici:
Entro un anno dalla data di entrata in vigore del presente decreto (6 ottobre 2006):
1. La certificazione energetica è obbligatoria per tutti gli edifici nuovi o sottoposti a
interventi (onere a carico del costruttore);
1 bis. Per gli altri edifici si applicherà il decreto con gradualità temporale (onere a carico del
venditore o del locatore):
• Dal 1 luglio 2007, si applicherà anche agli edifici di superficie utile superiore a 1000 mq,
nel caso di trasferimento a titolo oneroso dell’intero immobile;
• Dal 1 luglio 2008, agli edifici di superficie utile fino a 1000 mq caso di trasferimento a
titolo oneroso dell’intero immobile con l’esclusione delle singole unità immobiliari;
• Dal 1 luglio 2009 alle singole unità immobiliari, nel caso di trasferimento a titolo
oneroso.
Art 6 certificazione energetica degli edifici:
1 Ter. Dal 1 gennaio 2007, l’attestato di certificazione energetica è necessario per accedere
agli incentivi ed alle agevolazioni di qualsiasi tipo.
1 Quater. Dal 1 gennaio 2007, tutti i contratti, nuovi o rinnovati, relativi alla gestione degli
impianti termici o di climatizzazione degli edifici pubblici, debbono prevedere la
predisposizione dell’attestato di certificazione energetica dell’edificio entro i primi sei mesi di
vigenza contrattuale, con predisposizione ed esposizione al pubblico della targa energetica.”
N.B. Edifici in corso di costruzione o con richiesta di licenza edil. Prima del 6/10/06 deve
intendersi edif. esistente; se oggetto di variante in c.o. va considerato come intervento di
ristrut. o man.str. per la parte modificata
2. La certificazione per gli appartamenti di un condominio può fondarsi, oltre sulla
valutazione dell'appartamento interessato:
a) su una certificazione comune dell'intero edificio, per i condomini dotati di un impianto
termico comune;
b) sulla valutazione di un altro appartamento rappresentativo dello stesso condominio e della
stessa tipologia.
Art 6 certificazione energetica degli edifici:
3. Nel caso di trasferimento a titolo oneroso dell'intero immobile, l'attestato di certificazione
energetica e' allegato all'atto di compravendita, in originale o copia autenticata.
4. Nel caso di locazione, l'attestato di certificazione energetica e' messo a disposizione del
conduttore o ad esso consegnato in copia dichiarata dal proprietario conforme all'originale
in suo possesso.
5. L'attestato di certificazione energetica ha una validità temporale massima di dieci anni a
partire dal suo rilascio, ed e' aggiornato ad ogni intervento di ristrutturazione che modifica la
prestazione energetica dell'edificio o dell'impianto.
6. L'attestato di certificazione energetica comprende i dati relativi all'efficienza energetica
propri dell'edificio, i valori vigenti a norma di legge e valori di riferimento, che consentano ai
cittadini di valutare e confrontare la prestazione energetica dell'edificio. L'attestato e'
corredato da suggerimenti in merito agli interventi più significativi ed economicamente
convenienti per il miglioramento della predetta prestazione.
Punto 2: sono riportati i valori di trasmittanza termica delle strutture opache verticali
Zona
clima
tica
A
B
C
D
E
F
Dall’1
gennaio
2006 U
(W/m²K)
0,85
0,64
0,57
0,50
0,46
0,44
Dall’1
gennaio
2008 U
(W/m²K)
0,72
0,54
0,46
0,40
0,37
0,35
Dall’1
gennaio
2010 U
(W/m²K)
0,62
0,48
0,40
0,36
0,34
0,33
Allegato C – Requisiti energetici degli edifici
Punto 3.1: valori di trasmittanza termica delle coperture
Zona
climatica
Dall’1 gennaio 2006
U (W/m²K)
Dall’1 gennaio 2008
U (W/m²K)
Dall’1 gennaio 2010
U (W/m²K)
A
0,80
0,42
0,38
B
0,60
0,42
0,38
C
0,55
0,42
0,38
D
0,46
0,35
0,32
E
0,43
0,32
0,30
F
0,41
0,31
0,29
Punto 3.2: valori di trasmittanza termica dei pavimenti verso locali non riscaldati o
verso l’esterno
Zona
Dall’1 gennaio 2006
Dall’1 gennaio 2008
Dall’1 gennaio 2010
climatica
U (W/m²K)
U (W/m²K)
U (W/m²K)
A
0,80
0,74
0,65
B
0,60
0,55
0,49
C
0,55
0,49
0,42
D
0,46
0,41
0,36
E
0,43
0,38
0,33
F
0,41
0,36
0,32
Allegato C – Requisiti energetici degli edifici
Punto 4.1: valori di trasmittanza termica delle chiusure trasparenti comprensiva
degli infissi
Zona
climatica
Dall’1 gennaio 2006
U (W/m²K)
Dall’1 gennaio 2008
U (W/m²K)
Dall’1 gennaio 2010
U (W/m²K)
A
5,5
5,0
4,6
B
4,0
3,6
3,0
C
3,3
3,0
2,6
D
3,1
2,8
2,4
E
2,8
2,4
2,2
F
2,4
2,3
2,0
Punto 4.2: valori di trasmittanza termica centrale dei vetri
Zona
climatica
Dall’1 gennaio 2006
U (W/m²K)
Dall’1 gennaio 2008
U (W/m²K)
Dall’1 gennaio 2010
U (W/m²K)
A
5,0
4,5
3,7
B
4,0
3,4
2,7
C
3,0
2,3
2,1
D
2,6
2,1
1,9
E
2,4
1,9
1,7
F
2,3
1,7
1,3
3.8 Isolamento Termico
Le tecniche per realizzare una parete isolata termicamente sono varie. In generale ci
sono alcuni accorgimenti che consentono di ottenere buoni risultati, ad esempio
spesso conviene aumentare leggermente lo spessore dell'isolante e non predisporre
una camera d'aria, infatti all'interno di essa si innescherebbero moti convettivi che
limitano un isolamento efficace.
Inoltre nel progettare una parete è importante ricordare che la quantità di materiali
isolanti usata incide in maniera minima sul prezzo della costruzione, visto che nel
loro caso è la messa in opera a costituire la vera spesa. Dunque dove si progetta di
disporre nelle pareti degli strati di materiale isolante conviene prevederne uno
spessore abbondante, in modo da essere sicuri del risultato a fronte di un aumento di
spesa minimo. Ad esempio progettare una parete con 2 cm di isolante significa
spendere molto per la sua messa in opera ma ottenere risultati modesti , mentre con
un ulteriore spessore di 4-6 cm il risultato sarebbe stato molto migliore a fronte di un
aumento di spesa modesto.
Un altro dato importante è quello relativo al vetro-camera che mediamente dimezza
la dispersione delle superfici vetrate.
Se si analizzano due locali identici come dimensioni ma dei quali uno è stato
progettato prevedendo l'isolamento termico, mentre l'altro non è isolato si nota come
il locale isolato disperda meno di un terzo del calore dell'altro, cioè si risparmia
facilmente il 60-80%.
Dunque per ottenere le stesse condizioni ambientali nei due ambienti, quello non
isolato necessiterebbe di radiatori più grandi e caldaie più grandi che, oltre ad
occupare più spazio, consumerebbero di più ed inquinerebbero di più.
Facendo questo esperimento in un clima tipicamente padano, in cui consideriamo la
temperatura esterna pari a -5° C la temperatura superficiale interna della parete non
isolata sarebbe di circa 15°C, mentre su quella isolata se ne registreranno 19°C.
Dunque la differenza sarebbe di circa 3°C, ma non modesta per gli scambi termici per
irraggiamento.
Infatti, nella formula di cui si deve tener conto in questi casi, secondo gli scambi per
irraggiamento, è la seguente:
Q1 = S F [ (Tc ) -( Tmr ) ]
2
2
2
2
dove:
S = superficie esposta del corpo umano
F = fattore di vista del corpo umano nell’ambiente
Tc = temperatura del corpo umano in gradi Kelvin (35°C + 273 = 308 K)
Tmr = temperatura (Kelvin) media radiante delle superfici dell’ambiente “viste” dal
corpo umano (circa 15-19°C, cioè 288-292K), differenza modesta, ma elevandola alla
quarta potenza, la differenza diventa sensibile.
Ne deriva che più il corpo è vicino ad un corpo freddo, es. vetro semplice di una
finestra, maggiore è lo scambio quindi il corpo si raffredda molto.
Si nota come in questa formula le temperature (Kelvin) compaiono elevate alla quarta
potenza, quindi anche la differenza di soli tre-quattro gradi percepita nel caso di cui
sopra diventa molto importante.
In materia di isolamento termico un altro argomento di grande importanza sono i
ponti termici. Il caso più frequente si verifica all'intersezione tra i solai e le pareti
dove spesso nei progetti meno attenti si verificano interruzioni degli strati isolanti, ma
situazioni analoghe si possono verificare anche in corrispondenza delle spallette e
degli architravi delle aperture, o dei pilastri esterni.
I ponti termici sono dannosi in quanto portano alla formazione di zone di forte
dispersione termica in corrispondenza delle quali la temperatura è minore rispetto a
quella del resto della parete, e talvolta in misura sufficiente a far condensare il vapore
acqueo contenuto nell’aria, tanto che a lungo andare il vapor d’acqua condensa, poi
genera umidità e muffe.
L'unica contromisura contro questi inconvenienti è la realizzazione di uno strato
isolante continuo sull'intera superficie muraria a contatto con l'esterno, sia in fase di
progetto che di realizzazione.
Questa soluzione risulta di facile realizzazione nelle nuove costruzioni, dove può
essere prevista sin dalla fase di progetto, mentre risulta più problematica negli
interventi su edifici esistenti.
In questi casi si adottano pannelli isolanti da incollare alle pareti, che in genere
vengono posizionati all'interno dell'edificio. Questa soluzione offre il vantaggio dal
punto di vista progettuale di poter intervenire solo su alcune zone, ma è meno
efficiente dal punto di vista termico.
L'adozione di sistemi di isolamento termico su edifici esistenti rientra nella lista degli
interventi finanziabili dallo stato.
L'adozione di uno strato isolante è consigliabile anche se ho grosse pareti di pietra,
inoltre può essere usato anche per suddividere aree di uno stesso alloggio con
destinazioni d'uso diverse.
Gli interventi migliori in assoluto sotto il punto di vista dell'isolamento termico
(anche nel recupero edilizio quando è possibile) sono quelli che prevedono di fissare
l'isolante all'esterno e di rivestirlo con una rete plastica che faccia da supporto
all'intonaco plastico. Quest'ultimo, infatti, ha la caratteristica di lasciare uscire il
vapor acqueo pur rimanendo impermeabile alla pioggia. Questo tipo di soluzione è
detta "a cappotto", poiché riesce a coprire con lo strato isolante tutte le zone, sia
correnti che d’interazione.
Un'altra soluzione alternativa è la parete ventilata che è come la precedente ma
invece di avere l'intonaco posato direttamente sul manto isolante, prevede un
rivestimento staccato e sostenuto mediante ganci o staffe metalliche.
Questo tema può subire diverse varianti quali l'adozione di camere d'aria ventilate che
in estate impediscono l'ingresso di aria calda. Queste camere d'aria basano il loro
funzionamento sul fatto che lo strato esterno, irraggiato dal sole scalda l'aria presente
nell'intercapedine, ed essa diventa poi più leggera, tende a salire per poi uscire
dall'alto. In questo modo non stando ferma l'aria non ha il tempo di trasferire il suo
calore alla parete. In inverno, invece l'aria sta ferma e il sistema funziona come un
semplice muro a camera d’aria. In questa situazione, però la circolazione dell'aria
ridurrebbe il potere isolante del sistema nelle giornate particolarmente ventose, ed il
suo funzionamento risulterebbe fortemente compromesso, pertanto è bene prevedere
artifizi costruttivi che consentano la chiusura della lama d’aria.
Per garantire un buon funzionamento di questo sistema è necessario che la parete
esterna sia costruita con un materiale conduttivo così la circolazione si innesca
velocemente.
Questo principio è lo stesso che sta alla base del tetto ventilato, una delle soluzioni
migliori per l'isolamento delle coperture.
Un'altra considerazione importante è che i materiali isolanti non sono in grado di
garantire inerzia termica, in quanto hanno massa molto piccola, dunque è sempre
bene abbinarli a pareti massive in modo che, soprattutto per i periodi caldi l'inerzia
sia garantita. Ricordarsi che l’isolante termico risulta efficace nel periodo invernale,
ma in modo assai modesto in quello estivo.
Nell’ edilizia bioclimatica è importante il coefficiente ηu, cioè il coefficiente di
utilizzo delle risorse gratuite (persone, lampade, apparecchi elettrici). A questo
riguardo gioca un ruolo importante l'inerzia termica dell'edificio che è una diretta
conseguenza della sua massa. Infatti maggiore è la massa maggiore sarà la capacità di
accumulo, così se un muro è in grado di immagazzinare il calore quando ne ha a
disposizione lo restituirà progressivamente quando la temperatura cala. Per fare
questo è necessaria una certa massa, infatti una roulotte non disperde calore perché è
molto isolata, ma non ha inerzia termica perché le sue pareti sono molto leggere, e
quindi in estate, al sole, diventa invivibile.
La legislazione regionale dell’E. R. fornisce anche la formula per calcolare il fattore
di inerzia termica i.
Si riportano qui di seguito valori di tram. Term. Indicativi, tenendo presente che oggi
sono già ben presenti vetri basso emissivi e vetricamera con all’interno gas inerti, il
tutto consente valori di trasm. Term. Assai minori , anche minori di 1.
4
L'ENERGIA SOLARE
4.1 Caratteristiche
L’energia solare ci arriva a diverse lunghezze d’onda che vanno dall’ultravioletto ( 0
0.4 micron ), al visibile ( 0.4 – 0.8 micron ), e infine l’infrarosso ( 0.8 – 2.5 micron ).
Fig.1 Spettro della radiazione solare
L’energia che parte dal sole non coincide però con quella che arriva a noi a terra, essa
nel percorso subisce diverse perdite : sia ad opera dell’atmosfera, sia ad opera di varie
rifrazioni e assorbimenti.
L'energia del sole si trasmette attraverso il fenomeno dell'irraggiamento, che, come
noto avviene attraverso onde elettromagnetiche che non hanno bisogno di un mezzo
per propagarsi, e quindi possono farlo anche nel vuoto.
Gli effetti termici si hanno per lunghezze d'onda dell'ordine dei micron.
Lo studio dell'energia solare si basa sulle leggi dell'irraggiamento: si noti come per i
corpi neri la legge di irraggiamento sia:
dove I è il potere emissivo integrale , S è la superficie del corpo e T è la temperatura
termodinamica (in scala Kelvin) del corpo.
Dunque la quantità di calore è sempre proporzionale alla superficie moltiplicata per la
temperatura elevata alla quarta potenza, il che comporta che anche una differenza di
pochi gradi ha un grande effetto.
Il comportamento del sole si può assimilare a quello di un corpo nero alla
temperatura di 5762 K, ma gli effetti di tale radiazione sono leggermente smorzati
dall'atmosfera terrestre che agisce come un filtro.
La gran parte dell'energia solare arriva sulla Terra attraverso i raggi infrarossi , e
comunque l'intera quantità di energia solare arriva con onde di lunghezza d'onda (λ)
compresa tra 0 e 2,5 micron:
con le seguenti caratteristiche per intervalli di λ :
- tra 0 e 0,36 micron la zona degli ultravioletti,
- tra 0,36 e 0,78 micron si ha l’energia luminosa (luce bianca naturale),
- tra 0,78 e 2,5 micron zona degli infrarossi, responsabili della trasmissione dell’en.
termica .
N.B. Buco Ozono
Nel campo degli ultravioletti, il compito dell'ozono (O3) è importantissimo: quello di
assorbire onde elettromagnetiche soprattutto nella fascia tra 0 e 0,3 micron, appunto
quella dei raggi ultra violetti che , in dosi eccessive, sono molto dannosi per la vita
umana (sono responsabili di tumori alla pelle).
La formazione del buco dell'ozono è quasi certamente causata dalle catene di
idrocarburi usate come gas frigoriferi contenenti fluoro.
I gas incriminati sono i fluorocarburi, in particolare quelli della catena del freon .
Sono stati messi al bando, ma erano usati in molti campi, dunque prima che tutte le
applicazioni in cui erano previsti diventino obsolete e vengano sostituite devono
passare ancora molti anni.
Il meccanismo per cui si forma il buco dell'ozono pare il seguente: quando i
frigoriferi, (o gli impianti di condizionamento casalinghi o delle auto, o alcuni
materiali isolanti contenenti fluorocarburi ) invecchiano, il fluido frigorigeno si
disperde in atmosfera.
I fluorocarburi contengono il fluoro che per la sua forte tendenza ad attirare
l'ossigeno, si dice che "mangia l'ossigeno". Così quando queste sostanze raggiungono
la fascia dell'ozono, la cui formula è O3, il fluoro assorbe un atomo di ossigeno
trasformando l'ozono in ossigeno puro O2. In questo modo la progressiva emissione
in atmosfera di fluorocarburi consuma lentamente il filtro dell’ozono del nostro
pianeta ai raggi ultravioletti.
N.B. Effetto Serra
Un altro fenomeno di cui si parla molto è l'effetto serra: esso è dovuto al fatto che
alcuni materiali (es. vetro, fogli di plastica) sono quasi trasparenti alla luce solare,
cioè all’energia incidente nelle lunghezze d'onda comprese tra 0 e 2,5 micron.
Dunque attraverso un vetro può passare, ad incidenza perpendicolare o ad essa
prossima fino a 40 gradi, fino al 90% dell'energia solare. Una volta entrata questa
energia colpisce i vari materiali contenuti nella serra e li scalda. Gli oggetti, una volta
scaldati, riemettono radiazioni, con lunghezze d'onda maggiori, ma il vetro, a queste
radiazioni non è più trasparente, e quindi non le lascia uscire, ed esse continuano a
scaldare l'interno della serra. L’effetto serra è per l’energia solare quasi assimilabile
ad una trappola per topi: si entra facilmente, ma non si esce!
Questo effetto è utile e voluto nelle serre, ad esempio nei vivai perché permette alle
piante di crescere più velocemente.
L'effetto serra in atmosfera è basato sullo stesso principio, e sono gli strati trasparenti
dell'atmosfera stessa a svolgere il ruolo del vetro che prima lascia passare la
radiazione solare e poi non permette alle radiazioni riemesse dalla materia scaldata di
uscire. Dunque è un effetto che è sempre esistito in natura, ma negli ultimi anni la
situazione è cambiata, soprattutto per l'aumento dell’anidride carbonica (CO2) e di
altri gas inquinanti in atmosfera, dovuto alle emissioni, derivanti dalle attività delle
società industrializzate.
La CO2, infatti, ha valori molto alti di assorbimento della radiazione solare, così
l'emissione costante di migliaia di tonnellate di CO2 fa aumentare l'assorbimento e
dunque il riscaldamento, e con esso la quantità di radiazioni che non sono più in
grado di uscire dall'atmosfera.
La CO2 deriva da tutti i processi che coinvolgono il carbonio, dunque il processo che
ne produce di più è la combustione degli idrocarburi.
Conclusioni : l'intera società industriale è basata sulla combustione degli idrocarburi,
ed il loro consumo è in continuo aumento in tutto il mondo, quindi è necessario
trovare una soluzione per una loro decisa riduzione nelle emissioni (Protocollo di
Kyoto)
La prima risposta a questo problema, anche se non decisiva, è la più semplice, e
l'unica immediatamente attuabile da ognuno, cioè il risparmio energetico.
Molta dell'energia consumata nel mondo attualmente viene inutilmente sprecata,
spesso inconsapevolmente o per semplice ignoranza del problema .
Dunque se, anche attraverso campagne informative di sensibilizzazione, si riuscisse a
far sì che ognuno stia attento ad accendere gli elettrodomestici o il riscaldamento solo
quando è necessario, o ad isolare in maniera efficace gli edifici in cui trascorre le sue
giornate sarebbe già un primo importante passo avanti per frenare le emissioni di
CO2. Infatti anche se lo spreco giornaliero di ogni singolo individuo può sembrare
marginale, questo va moltiplicato per miliardi di persone, dunque si capisce come
ogni contributo sia importante.
Il passo successivo, molto più complesso e meno immediato, sarà la progressiva
diffusione di sistemi basati sull'energia pulita, in modo da azzerare le emissioni
dannose. Questo traguardo è ancora lontano, ma già da adesso è possibile muoversi in
questa direzione, iniziando a progettare tenendo conto di queste problematiche.
4.2 Utilizzazione dell’energia solare
Il Sole può essere sfruttato a proprio vantaggio nella progettazione di edifici.
Per progettare un edificio che tragga vantaggio dal Sole bisogna in primo luogo
saperne la latitudine (l'Italia è tutta compresa tra 36° e 48° di latitudine Nord), la
longitudine e l'orientamento, in modo da poter decidere di conseguenza la
disposizione degli ambienti e di eventuali pannelli solari. Anche la quota sul livello
del mare gioca, per quanto riguarda l'irraggiamento un ruolo importante, infatti
minore è la quota maggiore è lo spessore di atmosfera che i raggi devono attraversare,
e di conseguenza sarà minore la quantità di radiazioni che arriva a terra.
Ad esempio è importante tenere conto del fatto che le stanze rivolte a Nord non
avranno mai irraggiamento diretto, ma riceveranno soltanto luce diffusa.
Al contrario l'esposizione a Sud garantirà un soleggiamento diretto e medio durante
tutto l'arco della giornata, mentre i grafici dell'esposizione ad Est e ad Ovest sono
simmetrici , dunque ad Est avremo un forte irraggiamento mattutino , e ad Ovest i
raggi arriveranno il pomeriggio e la sera.
A questo proposito non è consigliabile progettare edifici con camere da letto rivolte
ad Ovest, in quanto l’irraggiamento solare diretto agirà scaldando tale camera poco
prima che si vada a letto, creando disagio estivo agli utenti. Situazioni come questa ,
se conosciute , possono essere sfruttate con vantaggio , infatti.in un clima freddo
avere il sole che riscalda la camera poco prima di dormire è una cosa positiva , ma
sarà negativa in un clima caldo, soprattutto in estate .
Anche il modo in cui vengono progettate le aperture, cioè di solito le abituali finestre,
influisce in maniera determinante sul benessere e sui consumi in un edificio.
Un esempio per tutti è quello degli shed usati nelle fabbriche . Molte di queste
aperture venivano orientate verso Nord poiché si voleva evitare l'abbagliamento dei
lavoratori causato dalla luce diretta . Questa soluzione, però , è molto dispendiosa
perché richiede l’illuminazione artificiale quasi in continuità, e mentre l’apporto
energetico solare è nullo , le aperture sono le zone termicamente più disperdenti
dell'involucro di un edificio, ed inoltre gli shed si trovano in alto , dove sale l'aria
calda, dunque, rivolgendo queste aperture a Nord, si ha la più svantaggiosa situazione
di massima dispersione del calore.
Orientando gli shed verso Sud , invece , e dotandoli opportunamente di aggetti esterni
e di rivestimenti interni o pannelli diffondenti , si può raccogliere energia solare
senza il problema dell'abbagliamento, e si limitano le dispersioni di calore, con un
bilancio energetico ed illuminotecnico nettamente favorevole.
Il dato geografico più incidente per gli effetti che il Sole può avere sulla costruzione è
la latitudine, infatti con essa varia l'inclinazione con cui i raggi solari la colpiscono .
Per ogni località sono disponibili in bibliografia i dati statistici climatici, in
particolare è indicata la radiazione media mensile espressa in MJ/m2 .
Il modo più antico di usare l'energia solare è il guadagno diretto , cioè quello che si
ottiene semplicemente dal fatto che l’edificio , o un suo particolare componente , o
gli oggetti che esso contiene vengono colpiti e dunque scaldati dai raggi solari.
Qui gioca un ruolo importante l'inerzia termica , infatti la situazione più classica è
quella che si verifica quando i raggi attraversano una finestra qualsiasi e incidono
direttamente su: pavimento e pareti e gli oggetti contenuti nell'edificio in questione,
ed indirettamente anche su soffitto e pareti interne. In questo caso tutte le superfici
durante le ore di illuminazione assorbono calore che poi riemetteranno di sera e notte
con il calare del sole e della temperatura interna. Maggiore è la massa che viene
colpita dai raggi solari , maggiore sarà il potere d’accumulo, e quindi il calore
assorbito di giorno, e quindi quello poi riemesso di notte. A questo processo
partecipano anche gli arredi e le finiture, ad esempio un colore più scuro assorbe di
più . Questo permette di innalzare sensibilmente la temperatura e, di risparmiare sul
riscaldamento nei climi freddi, quindi si dovrà aver cura di predisporre adeguate
superfici trasparenti, ed avere superfici interne molto assorbenti.
Per quanto riguarda le vetrate bisogna tenere conto che sono punti deboli per quanto
riguarda l'isolamento termico, e quindi le loro dimensioni dovranno essere il risultato
di una mediazione tra il bisogno di accogliere i raggi solari e quello di non far uscire
il calore.
Questo vale , come già detto , nei climi rigidi, invece in Sicilia ad esempio, ed ancor
di più nei Paesi tropicali, ci si dovrà proteggere dal fenomeno di surplus di calore,
specialmente in estate.
Naturalmente esistono anche altri metodi di guadagno solare più elaborati , ma che
sono molto più vincolanti dal punto di vista prettamente distributivo, visivo ed
architettonico .
Il primo di questi sistemi è lo scambiatore aria-aria , che prevede il riscaldamento
dell'aria da parte del sole in una serra, separata, dal locale che si vuole scaldare,
mediante una parete. La parete potrà avere prese d'aria disposte in alto , in modo che
l'aria scaldata nella serra salendo le raggiunga e possa entrare nel locale, e, a sua volta
la serra avrà prese d'aria verso l'esterno disposte in basso, per la ripresa dell’aria
dall’ambiente . Si genera così una circolazione per cui l'aria scaldata all'interno della
serra sale ed entra nell'edificio lasciando il posto nella serra per nuova aria da
scaldare.
Questo sistema può anche avvalersi di un sistema di circolazione forzata dell'aria che
ne migliora le prestazioni.
Un altro sistema basato sullo stesso principio è il muro solare , che invece di
prevedere una vera e propria serra è costituito da una superficie esterna vetrata con
prese d'aria disposte in basso , disposta a poca distanza dalla parete vera e propria in
modo da formare un'intercapedine in cui si scalda l'aria. La parete come nel caso
precedente avrà le prese d'aria disposte in alto in modo da consentire all'aria calda di
entrare nel locale da riscaldare.
Un ulteriore evoluzione di questo tema è il muro di Trombe-Michel : in questo caso
l'aria non è presa dall'esterno , perché è sempre l'aria interna a circolare riscaldandosi
quando c’è irraggiamento solare .
Questo sistema è costituito da una superficie vetrata priva di prese d'aria disposta
all'esterno della parete vera e propria che invece è provvista di una serie di bocchette
in alto e una in basso. In questo modo l'aria presente all'interno dell'intercapedine
viene scaldata dai raggi solari , dunque tende a salire e ad entrare nel locale dalle
bocchette disposte in alto . Questo fenomeno crea un risucchio dell'aria della stanza
verso l'intercapedine attraverso le bocchette disposte nella parte bassa della parete .
Inoltre la parete deve essere dotata di buona inerzia termica , in modo che di giorno ,
illuminata dal sole , assorba calore per restituirlo poi di notte .
In questo modo è possibile operare con l’aria usufruendo degli stessi vantaggi del
muro solare .
Naturalmente questa soluzione presenta molte problematiche , infatti per essere
funzionale al massimo la parete deve essere orientata verso Sud , ma questo significa
avere delle ampie pareti cieche proprio dove l'illuminazione è migliore . Inoltre per
essere captante la parete interna viene dipinta con colori scuri , che esteticamente non
sono sempre facilmente accettati . Questo senza tenere conto dei problemi correlati
alla pulizia ed alla manutenzione delle vetrate.
Un'altra soluzione prevede la disposizione a Sud di serre addossate a muri massivi ,
in modo da garantire un buon rendimento termico, ma anche questa pone forti limiti
alla libertà progettuale.
La progettazione bioclimatica , dunque , deve tenere conto di moltissimi fattori, ed il
Sole è il primo di questi , anche perché è il motore stesso del microclima della zona ,
che è il secondo fattore di cui tenere conto. Ad esempio in una valle sarebbe meglio
evitare la cima perché troppo ventilata , ma anche il fondovalle perché è meno
soleggiato e più freddo visto che l'aria fredda scende in basso.
L'ideale è un semipendio rivolto verso Sud.
Un elemento fondamentale in tutti i sistemi analizzati sopra è il comportamento della
radiazione attraverso il vetro o le superfici trasparenti in genere.
Quando la radiazione colpisce il vetro , infatti una parte di essa viene trasmessa,
un'altra viene riflessa e la rimanente viene assorbita. La parte di energia trasmessa ,
riflessa o assorbita dipende dalle caratteristiche del materiale e dall'angolo di
incidenza dei raggi solari sulla lastra. Infatti per un'inclinazione dei raggi fino a 45°
rispetto alla normale, la percentuale trasmessa è molto alta (fino al 90-95 %) , e può
variare a seconda della trasparenza del materiale o della sua pulizia , ma oltre questa
inclinazione il vetro riflette via via la maggior parte della radiazione incidente.
Il vetro è un materiale che si ottiene dalla silice, e a seconda della percentuale di
ossidi di silice e di altri componenti chimici presenti, si producono vetri più o meno
trasparenti, opachi.
Il vetrocamera è costituito da due vetri con in mezzo aria, essiccata per evitare la
formazione di condensa alle basse temperature , inoltre sui vetri si possono stendere
pellicole antiriflesso o energetiche, al fine di migliorarne l’isolamento termico.
Per quanto riguarda le pareti , invece , possono entrare in gioco molteplici fattori
come i materiali , i colori , lo strato isolante o gli accorgimenti tecnici .
La cosa più importante da ricordare è che all'aumentare della massa il muro trasmette
meno il calore mentre la sua inerzia termica aumenta, dunque se la massa è molto
grande il calore assorbito viene restituito molto più avanti nel tempo .
Un altro elemento di cui bisogna tenere conto sono le ombre portate , che oltre
all'importanza architettonica, possono essere usate per evitare surriscaldamenti
estivi .
Nello studio delle ombre portate va considerato il loro spostamento nell'arco delle
ventiquattro ore e nell'arco dell'anno.
Gli aggetti , dunque , possono svolgere un ruolo importante per sfruttare le ombre ,
così come gli schermi, verticali o orizzontali, fissi o mobili, disposti in
corrispondenza delle zone da ombreggiare.
La posizione del nostro pianeta nella sua orbita intorno al sole e l'inclinazione del suo
asse , oltre la latitudine, sono gli elementi che determinano l'inclinazione dei raggi
solari sulla sua superficie ; le date fondamentali da conoscere sono i due solstizi e i
due equinozi . Il solstizio invernale (21 Dicembre )segna nell’emisfero Nord la data
con il dì più breve , mentre quello d'estate (21 Giugno) quella del dì più lungo;
e nell’emisfero Sud, viceversa . I due equinozi (21 Marzo e 21 Sett.), invece, sono i
due giorni dell'anno in cui il numero delle ore di luce è esattamente lo stesso delle ore
di buio .
Il massimo irraggiamento solare ottenibile su una superficie orizzontale nel mese più
favorevole e con aria limpidissima è misurabile in 1100 W/m2. I coefficienti di
utilizzazione sono molto minori di 1 , quasi sempre minori del 50% , dunque si dice
che il Sole dà energia a bassa intensità, e quindi per avere grandi accumuli di energia
servono grandi superfici captanti , che però costano molto.
Il Sole , inoltre regola tutto il ciclo dell'acqua e quello della vita. Le precipitazioni
avvengono quando il vapor d'acqua presente nell’aria condensa . Questo avviene
quando un'alta concentrazione di esso si sposta in una zona con una temperatura
favorevole .
La temperatura dipende dal sole , ed era stato sempre il sole a far evaporare l'acqua
delle riserve del nostro pianeta portando il vapor acqueo in atmosfera.
Tornando a parlare di microclima si nota come in genere la temperatura salga con
l'aumentare della densità abitativa . In città, infatti arriva meno vento, ci sono più
attività con dispersioni termiche, pavimentazioni ed edifici costituenti accumuli
termici, e tutto fornisce calore. Dunque secondo la legge se progetto in aperta
campagna posso abbassare la temperatura esterna di progetto di due o tre gradi,
perchè è tale la differenza di temperatura.
Per stabilire la temperatura esterna del sito in cui progetto è importante l'altezza sul
livello del mare. In genere si calcola un abbassamento della temperatura esterna di un
grado ogni 150-200m , e questo dato vale in estate come in inverno.
Ogni elemento della morfologia di un sito : il mare , i laghi , i venti predominanti o la
presenza di montagne o colline, influenza il microclima, e quindi dovrebbe
conseguirne una progettazione ad hoc.
Nel considerare i carichi termici agenti su un edificio bisogna sempre ricordare che
anche quelli interni influiscono . Infatti la presenza di lampade , elettrodomestici ,
persone , in un locale influiscono molto sulla temperatura interna risultante.
E se il contributo di un singolo individuo può essere trascurabile in un ambiente
sufficientemente ampio, quello dell'intero pubblico di un cinema o di un palazzo
dello sport può essere molto grande, per non parlare di luoghi in cui le persone
compiono intensa attività fisica (palestre), o in cui sono in funzione grandi
macchinari (industrie, es. panificio). Tutti questi contributi devono essere considerati
dal progettista.
La decisione di sfruttare l'azione del Sole in un edificio ne condiziona pesantemente
il progetto in ogni sua fase .
5.3 Esempi di edifici bioclimatici
Un esempio lampante è quello della "piscina senza Nord" , la cui pianta è
costituita da un triangolo con il vertice rivolto
verso Nord e la base rivolta a Sud. Questa
disposizione consente di non avere pareti
esposte direttamente a nord , che sono quelle
che generano la massima dispersione e che non
ricevono mai direttamente la radiazione solare.
La facciata a Sud è completamente vetrata ,
così in inverno il sole entra permettendo
all'acqua (che ha un'elevata inerzia termica) e
alle pareti interne di accumulare calore.
La notte, invece vengono fatti scorrere sopra alle vetrate dei pannelli isolanti che
impediscono al calore riemesso dall'acqua e dalle pareti interne di disperdersi.
L'impianto, inoltre , prevede l' uso di collettori solari per fornire l'acqua calda alle
docce.
In una piscina la temperatura dell'aria e quella dell'acqua della vasca devono
mantenersi sui 27-28°C , inoltre ogni giorno bisogna garantire un ricambio di almeno
il 10% dell'acqua , il che equivale a buttare via acqua calda . Da questi dati si capisce
che una piscina è un impianto che divora letteralmente energia, e come, tutti gli
accorgimenti che consentono di risparmiarne, siano molto importanti.
Un altro progetto realizzato è la scuola materna di Tredozio , una località
nell’Appennino Tosco-Emiliano a 7-800
m slm . In questo caso è stato possibile
realizzare l'edificio in maniera ecocompatibile grazie a sovvenzioni
speciali , visto che il costo di un edificio
di questo tipo è superiore di quello di un
edificio tradizionale.
Questo progetto prevede dei muri di
Trombe-Michel rivolti a sud ed un
ingresso munito di doppia porta .
Inoltre il tetto sostiene una grossa "vela" che ospita 130 m2 di collettori solari
inclinati di 60° rispetto all'orizzontale.
Di fronte ai collettori una superficie di tetto piano è ricoperta da ghiaia chiara per
creare un grosso albedo ( riverbero ). A nord sono disposti tutti i depositi ed i bagni .
La zona Sud ha alcune porte che procurano guadagno solare diretto, oltre ai muri di
Trombe-Michel , la cui superficie muraria è dipinta con una vernice verde selettiva ,
appositamente studiata per creare un maggiore effetto serra , mentre le ampie vetrate
utilizzano il vetro camera ed hanno l'intelaiatura ridotta al minimo necessario a
garantire la resistenza meccanica .
In questo modo il vetro camera impedisce la dispersione termica, mentre le sottili
intelaiature non creano ombre e non diminuiscono la superficie trasparente.
Oltre alle bocchette del muro di Trombe-Michel il sistema dispone di un sistema di
ventilazione forzata dell'aria interna che ne garantisce il ricambio richiesto dalla
Norma vigente per le scuole.
Altro progetto di un'altra scuola , che
si trova a Massa Finalese (MO) , ed è
molto più grande, dunque è stata
disposta in due corpi paralleli tra loro ed
orientati a sud-est, visto che le aule
hanno bisogno di luce ed energia solare
soprattutto durante la mattinata.
I due corpi di fabbrica sono disposti parallelamente ma a distanza tale da non farsi ombra tra
loro . Il progetto , inoltre prevede dei corpi captanti disposti lungo le facciate,
costituiti da serre collegate alle aule e leggermente schermate da setti - diaframmi
della struttura , che , data la loro massa , fungono contemporaneamente da corpi di
accumulo . Queste zone captanti sono costruite a sbalzo rispetto alla facciata, ma la
loro forma è studiata in modo da generare il minimo possibile di ombra portata sulla
facciata sottostante. Questa soluzione per essere completa avrebbe dovuto essere
corredata da tapparelle isolanti con cui diminuisce l'influenza del sistema.
La palestra , invece ha una falda del tetto completamente in policarbonato doppio in
modo da garantire un'illuminazione abbondante , limitando la dispersione di calore.
L'edificio , inoltre è dotato di un impianto per la circolazione dell'aria con un sistema
di regolazione singolo per ogni aula , e di un sistema di collettori solari per la
produzione dell'acqua calda delle docce e delle cucine.
Un altro intervento molto riuscito è l’edificio ad uso residenziale a BorgoTaro , a
circa 6-700 m slm.
Il progetto prevede una facciata sud con
ampie superfici vetrate con zone a
guadagno diretto sulle camere , serre a
pianta trapezoidale con porta sulla sala da
pranzo , e pannelli solari sul tetto . Il lato
a nord , invece, è occupato dalle scale
esterne situate in corpi chiusi che fungono
anche da frangivento , dai servizi , e dalle
cantinette al piano.
La parete che separa le serre disposte a sud dalla sala da pranzo è munita di
bocchette, in cui è installato un piccolo ventilatore regolato da un termostato che
permette l'ingresso di aria calda dalla serra-terrazzo.
Quindi il funzionamento è semplice, basta regolare il termostato sulla temperatura
desiderata , e quando l'aria nella serra la raggiunge , si apre la bocchetta ed entra in
funzione il ventilatore. All'interno della serra il pavimento è bianco per riflettere la
luce mentre la parete è scura per assorbirlo maggiormente. Il muro esterno è
realizzato con spessi blocchi di argilla espansa che danno massa, mentre per le
strutture sono state usate cassaforme a perdere in materiale isolante, eliminando, così,
i problemi legati ai ponti termici.
Altro intervento interessante è stato realizzato per lo IACP di Bologna a Crevalcore
(BO) , e trattasi di una ristrutturazione di un edificio con sei
alloggi, la cui facciata Sud è stata completamente solarizzata ,
con serre, muri di Trombe, e muri ad accumulo (inerti) . E’ stato
significativo rilevare il suo comportamento termico rispetto ad
altri due , pressochè identici e molto vicini, su cui si era
intervenuti sul primo con una ristrutturazione normale (pareti
non isolate), mentre sul secondo con lo stesso isolamento termico del terzo
solarizzato.
Un altro stratagemma per sfruttare energia naturale per migliorare la qualità climatica
di un edificio, ma in questo caso per il raffrescamento estivo, è quello delle torri del
vento. Ad esempio in Iran , esistono costruzioni tradizionali che sfruttano questo
principio.
Si costruisce la torre secondo la direzione dei venti dominanti , dotandola di aperture
in quella direzione.
L'aria, così entra forzata dal vento nella torre, e da lì viene convogliata in condutture
sotterranee dove si raffredda. Da qui l'aria raggiunge il cortile dell'edificio da
rinfrescare passando anche attraverso il getto di una fontana per umidificarsi.
PROIEZIONI future di grande interesse
Progetto ARCHIMEDE in Sicilia in fase di realizzazione da Enel-Enea
Progetto TORRE SOLARE , per ora in Australia
Captazione nella stratosfera ed invio a terra con onde convogliate.