Capitolo 4: Integrazione degli impianti e lo sfruttamento delle fonti rinnovabili – 3° parte
Impianti fotovoltaici e Building Integrated Photovoltaics (BIPV) - II parte
L’installazione di sistemi fotovoltaici in copertura c’è differenza tra soluzioni utilizzabili in ambito residenziali (piccole dimensioni) e quelle in ambito industriale (grandi dimensioni).
Nel primo caso si sono consolidate le tecnologie “tegole fotovoltaiche” che sostituiscono quelle in laterizio. In fase di progettazione è importante determinare spazi e quantità di collocamento per evitare che interferiscano con altri impianti o elementi architettonici, riducendo la loro efficacia.
Nel caso di installazione di moduli integrati, bisogna valutare il comportamento in caso di neve.
L’installazione di elementi fermaneve evita la rottura da schiacciamento, coprendo però i pannelli, riducendo la loro funzionalità.
Durante la progettazione di sistemi fotovoltaici di grandi dimensioni, bisognerà considerare i seguenti fattori:
- Contesto in cui viene inserito l’edificio
- Inclinazione rispetto all’orizzontale dei moduli
- Effetti dell’azione del vento
- Aspetto strutturale dei moduli come il loro peso
- Sottostrutture di supporto
- Influenza dei contesti climatici
- Garantire la manutentabilità del manto di tenuto della copertura
I cavi che collegano i singoli moduli sono inglobati e protetti nella copertura con una mano impermeabile.
La tecnologia di film sottile in silicio amorfo offre un’alternativa valida ai metodi tradizionali, garantendo prestazioni ottimali.
Un’altra tecnologia per ottenere moduli in silicio amorfo è con il processo di deposizione al plasma della cella solare direttamente su un substrato polimerico flessibile. Le celle in silicio amorfo assorbono una % maggiore di energia incidente in caso di luce diffusa a livello di irradiazione bassi; queste arrivano fino al 40% di assorbimento in più rispetto a quelle in silicio cristallino. I materiali sono altamente resistenti, assicurando la pedonabilità durante le fasi manutentive.
I film sottili fotovoltaici sono ottimali per l’integrazione in film trasparenti in ETFE (Etilene TetraFilaroEtilene) utilizzato su alcune applicazioni architettoniche; in questo caso ha duplice funzione: è in grado di produrre energia elettrica e scherma gli ambienti interni. La principale applicazione rientra nei tessuti fotovoltaici, che consiste nell’integrare celle solari organiche in fibra tessili artificiali e possono alimentare impianti di illuminazione, piccoli elettrodomestici o apparecchiatura elettroniche.
I tessuti solari sono costituiti da moduli in silicio amorfo a doppia giunzione e possono essere realizzati per strutture come pensiline, pergolati o tendoni.
Un altro sistema BIPV è chiamato “Solar Ivy”, che consiste in foglie di polietilene funzionalizzate con film fotovoltaici. Il prodotto è stato concepito come “edera” fotovoltaica decorativa. I film possono essere di natura organica, in silicio amorfo o in deselenuro di rame e gaino.
La produzione di elettricità può avvenire attraverso moduli fotovoltaici a film sottile o sottoforma di eolico, tramite dispositivo piezoelettrico: il vento che muove le foglioline trasforma il movimento meccanico in elettricità, che viene poi raccolta dal gambo.
La progettazione di sistemi BIPV deve considerare molteplici aspetti, tra cui massimizzare il rendimento energetico, la riduzione di zone d’ombra e la sicurezza elettrica. Vanno inoltre valutati anche gli spazi disponibili per l’installazione e l’influenza del contesto in cui è inserito l’edificio. Nel caso di edifici residenziali le superfici trasparenti non sono del tutto utilizzabili perché ostacolerebbero la chiara visione verso l’esterno e ridurrebbero l’illuminazione negli ambienti interni.
Il problema di base del fotovoltaico è la bassa resa: oltre ad utilizzare questa tecnologia è necessario attuare politiche sul risparmio domestico (luci ad alta efficienza, elettrodomestici a basso consumo,…).
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Capitolo 4: Integrazione degli impianti e lo sfruttamento delle fonti rinnovabili – 2° parte
Impianti fotovoltaici e Building Integrated Photovoltaics (BIPV)
L’utilizzo di apparecchi elettronici (pompa di calore, elettrodomestici, …) può essere coperta in parte, o in toto, da un sistema fotovoltaico integrato nell'edificio.
Un campo fotovoltaico consiste in un insieme di moduli fotovoltaici connessi elettricamente che costituiscono da generatore dell’impianto.
Tra i sistemi fotovoltaici quelli BIPV (fotovoltaici integrati nell’edificio) sono i migliori che sfruttano parte della radiazione solare e convertirlo in elettricità dopo averla inviata agli inverter.
L’integrazione tra i sistemi BIPV e i cappotti esterni deve essere progettata senza che alcun componente perda in prestazioni energetiche ed acustiche.
Per avviare la problematica del costo dell’impianto, la sostituzione di parti dell’involucro con pannelli solari è la soluzione più efficiente.
L’integrazione può essere di due tipologie:
- In facciata (chiusura opaca o trasparente, elementi accessori)
- In copertura (coperture piane o a falde)
Altre tipologie, non rientranti nei sistemi BIPV, convengono essere utilizzate come elementi di arredo urbano.
Le tipologie di celle utilizzate sono molteplici, tra cui:
- Silicio monocristallino
- Silicio policristallino
Un’ulteriore tecnologia in rapido sviluppo è quella del fotovoltaico organico e ibrido. Questo sistema non richiede la luce diretta del sole per il funzionamento ottimale.
Il vantaggio di materiali organici o ibridi sta nel basso costo e nella sua installazione su ampie superfici in soluzione liquida, come un inchiostro o una pasta. Di conseguenza è possibile produrli con metodi tipici dell’industria della stampa, riducendo il costo del materiale e del processo produttivo, con un consumo energetico contenuto per la produzione dei moduli.
Il rendimento energetico del sistema fotovoltaico dipende anche dalla sua dislocazione geografica. Nel territorio italiano hanno una resa ottimale se ottimizzati in tetti a falde orientati verso sud e con un’inclinazione non superiore a 10°. Hanno un rendimento del 90% se installati orizzontalmente in copertura. Se montati in facciata può scendere fino al 70% se rivolti al sud e al 50% ad est o ovest.
La varietà di soluzione BIPV permette di integrare le facciate con alternative economiche ed estetiche ai tradizionali materiali di rivestimento.
Sono presenti più possibilità e applicazioni in sistemi di rivestimento, dove il modulo va a sostituire un elemento di rivestimento opaco. Gli elementi sono posti in sottostrutture di tipo metallico, come avviene per le facciate ventilate. I moduli sono facilmente smontabili per una eventuale manutenzione o sostituzione.
Nel caso si debbano integrare in chiusure verticali trasparenti, i sistemi fotovoltaici vengono inseriti all’interno di particolari tipologie di vetro; i cablaggi elettrici saranno inseriti in profili di metallo di supporto alla facciata.
I vetri fotovoltaici possono essere impiegati in coperture trasparenti o in sistemi frangisole fissi o mobili. Quest’ultimi hanno il compito di ombreggiare o schermare le superfici trasparenti durante la stagione estiva. La radiazione solare diretta capta la massima quantità di energia solare disponibile per la produzione di energia elettrica.
I moduli fotovoltaici possono essere installati su parapetti e balaustre, garantendo tutte le caratteristiche di sicurezza.
Le principali problematiche a questa tipologia di fotovoltaico sono legate dalla difficoltà di integrazione all’involucro, al mantenimento, alla tenuta agli agenti atmosferici e alla loro manutenzione ordinaria (come la pulizia periodica). Questa ultima difficoltà è stata risolta includendo nei progetti sistemi che rendano più agevole e rapido l’accesso a tutte le superfici dell’involucro, come l’utilizzo di piattaforme sospese, di scale, di passarelle mobili e sistemi per gli operatori in fune (vantaggiosi per edifici con geometrie complesse).
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Capitolo 4: Integrazione degli impianti e lo sfruttamento delle fonti rinnovabili – 1° parte
Integrazione di sistemi attivi nell’involucro edilizio
La realizzazione di un involucro altamente efficiente permette all’edificio di adattarsi alle condizioni climatiche esterne. Questo, abbinato a sistemi di impiantistica che sfruttano le fonti di energia rinnovabili, rendono di fatto possibile realizzare un edificio nZEB, oppure a positive energy building.
La superficie utile per l’integrazione di impianti è più difficile in edifici più grandi (pluripiano) in quanto lo spazio è poco sfruttabile o non utilizzabile (vedi le ridotte geometrie come sporti e balconi altri elementi di copertura).
Anche il contesto ambientale (terreno, densità abitativa, zone d’ombra) può comportare ad una variazione della collocazione degli ambienti. È incentivante collocare la propria collocazione la propria abitazione in quartieri ad energia quasi a zero; la strategia d’utilizzo delle energie rinnovabili è estesa a più edifici e permette di usare sistemi non convenienti per unità singole e poco sfruttabili.
Predisposizione degli spazi per l’installazione degli impianti e delle reti di distribuzione
Durante la definizione di soluzioni tecnologiche nei materiali, è necessario ottimizzare l’integrazione degli impianti che sono inglobati nelle parti edili, prevedendo gli spazi utili per il loro posizionamento. Inoltre, bisogna che siano installati in modo che siano facilmente manutentabili.
Gli spazi possono essere suddivisi sulla carta per l’installazione dei macchinari e componenti più ingombranti (generatori, bollitori, accumulatori, …) e quelli impiantistici all’interno degli ambienti.
La scelta della tipologia impiantistica influisce sulla metodologia di costruzione. Ad esempio, l’uso di un impianto con pannelli radianti tradizionali e massetto in calcestruzzo, è necessario considerare uno spessore extra di 5 – 8 cm rispetto a quelli con il radiatore.
Viene utilizzato spesso il generatore di calore a bassa temperatura, che si integra bene con l’uso di pannelli radianti o radiatori a bassa temperatura.
La tecnologia a secco nelle pareti interne orizzontali permette un ottimale integrazione impiantistica, garantendo l’ispezionabilità e manutentabilità.
La quota interpiano è influenzata in base alla tipologia di ventilazione e/o climatizzazione meccanica. A livello di progettazione bisogna valutare l’altezza netta inferiore (270 cm come da normativa) per recidere dove mettere il controsoffitto e le eventuali bocchette d’aria e filtri.
Negli impianti di scarico ed estrazione d’aria è necessario raggruppare gli impianti e concentrare terminali di cappe di estrazione, canalizzazioni di espulsione di aria esausta, ecc…
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Capitolo 3: materiali, tecnologie, sistemi per involucri innovativi e schermature solari – 6° parte
MATERIALI ISOLANTI TRADIZIONALI E INNOVATIVI - VI PARTE
L'INVOLUCRO TRASPARENTE - II PARTE
- Vetri sottovuoto: sono due lastre di vetro sigillate ermeticamente e separate da un’intercapedine, queste spesse 3/4 mm. Le lastre sono portate a sforzi meccanici dovuti dalla pressione atmosferica; per ovviare il problema vengono inseriti distanziatori cilindrici che influenzano gli sforzi tensionali interni e la conduttività che creano un ponte termico.
- Vetri fotovoltaici strutturali: celle fotovoltaiche stratificate fra due lastre di vetro e due fogli di PVB (polivinilbutirrale). La distanza delle celle permette di definire la trasparenza e la potenza erogata per unità di superficie. I fogli in PVB hanno anche lo scopo di creare isolamento acustico. È possibile regolare l’entrata di luce con particolari forature delle celle o serigrafie che permettono una maggiore libertà compositiva.
Per avere vetri che modificano le proprie caratteristiche ottiche ed energetiche, in base alle variazioni dell’ambiente esterno, bisogna utilizzare vetri a prestazione variabile.
- Materiali trasparenti cromogenici: sistemi di controllo dell’energia dinamica e luminosa incidenti che rispondono automaticamente alle variazioni dell’ambiente esterno. Modificano le loro proprietà ottiche a fronte di uno stimolo luminoso, elettrico, termico o chimico. In ambito edile permette la realizzazione di involucri trasparenti in gradi adeguarsi al comportamento energetico degli edifici, mantenendo il comfort abitativo richiesto.
I materiali possono essere attivati naturalmente o artificialmente. I primi sono ancora in via di sviluppo, mentre i secondi sono principalmente gestibili dall’utente.
- Vetri fotocromici: modificano la trasparenza in relazione all’intensità luminosa grazie alla composizione chimica e ai sensibilizzatori ottici reattivi ai raggi ultravioletti. Alle variazioni ambientali questa tipologia di vetro impiega un paio di minuti ad oscurarsi o a rendersi trasparente. Il vantaggio principale è il comportamento dinamico in base alla radiazione solare, permettendo una buona visione verso l’esterno; uno svantaggio è che questa funzione non è controllabile dall’utente; inoltre, in estate la riduzione di carichi termici è limitata.
- Vetri termocromici: modifica le proprietà ottiche in base alla temperatura superficiale esterna indotta da una reazione chimica. Il materiale rimane trasparente a basse temperature rispetto a quella di transizione, mentre è opaco con temperature superiori. Possono essere utilizzati per il controllo della radiazione solare, in quanto la fase di trasformazione comporta una riduzione dei carichi termici. È adatto per serre e coperture di giardini in climi temperati o caldi; è anche utilizzabile in ambienti dove non è richiesta la visione diretta dell’esterno, creando un effetto di schermatura visiva.
- Vetri elettrocromici: Sfruttano alcuni materiali per variare trasmissione, riflessione e assorbimento della radiazione solare in funzione di uno stimolo elettrico gestito dall’utente; questo permette di migliorare sia la quantità ambientale che l’efficienza energetica. La parte centrale di questo sistema è costituita da un conduttore di ioni tra due strati di film elettrocromici. Le parti esterne sono materiali conduttore trasparenti. I vetri hanno principalmente le colorazioni verdi o blu. Questo sistema non richiede una costante energia elettrica, nel momento in cui il vetro è colorato. Le prestazioni energetiche dipendono dalle strategie e sistemi di gestione e di controllo.
LE SCHERMATURE SOLARI I SISTEMI DI CONTROLLO DEL FLUSSO LUMINOSO
La schermatura è necessaria per completare le opere di installazione delle superfici trasparenti. Queste permettono la regolazione degli apporti luminosi degli ambienti interni, fornisce protezione contro l’abbagliamento e l’eccessivo ingresso di radiazione solare diretto.
Le schermature possono essere classificate, in base alla loro posizione rispetto alla superficie trasparente, in:
- Sistemi interni: sono economici e facilmente manutentabili e regolabili dall’utente. Hanno un’azione meno efficace di attenuazione del carico termico.
- Sistemi esterni: hanno un’ottima gestione dei carichi termici e offrono una buona schermatura. Permettono un controllo manuale o automatico di posizione e orientamento. I costi di installazione sono più elevati.
- Sistemi di intercapedine: hanno un buon controllo della radiazione luminosa, con una distribuzione uniforme negli ambienti interni. Limitano il surriscaldamento interno nei mesi estivi.
La suddivisione delle schermature può essere classificata in sistemi continui e discontinui. Quelli continui possono essere orizzontali e verticali. Sono formati da elementi opachi senza interruzioni capaci di assicurare una schermatura totale. Quelli discontinui sono formati da lamelle orientate che permette il passaggio di flussi d’aria.
I sistemi di schermatura possono essere integrati con elementi fotovoltaici. Inoltre, i materiali utilizzati possono essere rigidi (lamelle metalliche, lignee…) o costituiti da particolari tessuti tecnici. I tessuti in poliestere sono il collegamento tra i tessuti da tendaggio classico e quelli tecnici veri e propri; sono economici e alcuni vengono alluminizzati su un lato. Il tessuto screen si ottiene con la lavorazione di un filo in poliestere o fibra di vetro rivestito in PVC e poi intrecciato. I tessuti devono avere un’elevata resistenza meccanica alla trazione e resistenza allo strappo; le forature nei tessuti permettono la loro applicabilità su tutti i lati dell’edificio assicurando l’omogeneità estetica.
Esistono altri sistemi di schermatura che possono migliorare l’illuminazione naturali degli ambienti interni, riducendo l’uso di luce artificiale.
- Pannelli prismatici: sistema passivo che fornisce una buona protezione solare grazie alla deflezione della radiazione sul piano di facciata. Sono inseriti tra doppi vetri sigillati o su superfici vetrate. Con l’inserimento di un’intercapedine si garantisce una protezione dall’umidità. Nella stagione estiva il pannello riflette totalmente la radiazione solare, mentre nella stagione intermedia per diventare totale in quella invernale.
- Pannelli tagliati al laser: sono fogli trasparenti che vengono inseriti tra due lastre di vetro. Il taglio al laser divide il sistema in tanti parallelepipedi che fungono da specchi per riflettere la radiazione solare. Questi pannelli sono un sistema di ridirezionamento della luce, ma non risolvono i problemi di surriscaldamento interno degli ambienti, in quanto fungono da semplice trasferimento dell’energia solare dall’esterno all’interno dell’edificio. Inoltre, non garantiscono la visione diretta verso l’esterno.
- Sistemi geometrici di deflessione: sistema integrato con una vetrocamera interna, permette un miglioramento dell’illuminazione interna e una maggiore schermatura per ottimizzare gli apporti solari. La loro forma permette di deflettere e flettere la radiazione solare incidente grazie all’inclinazione. Questo sistema deve essere valutato in base all’esposizione delle facciate sulle quali verrà installato e il comportamento dell’altezza solare durante l’arco della giornata.
- Condotti di luce naturale: sistema che permette di limitare i consumi dell’illuminazione artificiale e migliorare gli ambienti interni scarsamente illuminati. In condotti captano luce naturale in qualunque condizione meteorologica. I componenti principali presenti sono:
- Un captatore trasparente in acrilico per proteggere i raggi UV
- Un’ottica che reindirizza i raggi luminosi all’interno del condotto cilindrico che contiene superfici riflettenti.
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Capitolo 3: materiali, tecnologie e sistemi per involucri innovativi ad alte prestazioni – 5° parte
MATERIALI ISOLANTI TRADIZIONALI E INNOVATIVI - V PARTE
L'INVOLUCRO VERDE
Aree verdi in un contesto urbano portano benefici, come abbassamento della temperatura e formazione di brezze d’aria.
Oltre a questa funzione, possono essere applicate nella copertura e/o nella facciata.
Le coperture a verde possono essere:
- Di tipo estensivo: richiedono ridotto fabbisogno nutritivo ed apporto energetico. Hanno un costo limitato di installazione e gestione
- Di tipo intensivo: richiedono apporto energetico continuo, pesi rilevanti (> 500 kg/mq) e costi più elevati di realizzazione e di gestione
Le differenze delle due tipologie consistono nello spessore della copertura, le tipologie di essenze vegetali disponibile e la periodicità delle manutenzioni da effettuare.
I vantaggi di un sistema di copertura a verde sono:
- Miglioramento microclima esterno
- Incremento della superficie verde
- Miglioramento del potere termoisolante e dell’inerzia termica
- Aumento della durata dell’impermeabilizzazione
Nella progettazione è necessario inserire un sistema di irrigazione, con la possibilità di includere una vasca di raccolta delle acque piovane.
Dall’altro lato non sarà possibile installare impianti fotovoltaici e solari termici.
La vegetazione può variare in base al suo posizionamento, ad esempio negli schermi orizzontali è possibile mettere essenze di tipo rampicante. Questi sistemo creano zone di compensazione termica e filtro tra interno ed esterno presenti su alcuni edifici ma non così diffuse sono le pareti verdi.
PARETE VERDE: facciata (o parte di essa) ricoperta da specie vegetali rampicanti e/o ricadenti aggrappate tramite supporti di sostegno alla muratura.
I benefici sono legati alla protezione dall’irraggiamento solare, evitando lo sbalzo termico e dagli agenti atmosferici.
Una parete verde esposta ad est e ad ovest permette di proteggere dai raggi perpendicolari durante la stagione estiva. Uno svantaggio può esserci esserci nel momento in cui si dovesse intervenire per la manutenzione della finitura di supporto.
Nel caso di vegetazione sempreverde, nella stagione invernale le foglie ricurve l’una sull’altra fanno da manto di protezione da vento, acqua e neve.
Le pareti vegetate, differenti da quelle verdi, sono costituite da una ridotta struttura verticale che mantengono sia gli elementi vegetali che gli impianti di irrigazione.
Di fatto si presenta come una parete ventilata, con una sottostruttura di supporto degli elementi che crea un’intercapedine con la parete.
L'INVOLUCRO TRASPARENTE
Negli anni di studio è cresciuta la necessità di creare involucro trasparenti come filtro dinamico, con le necessità energetiche che variano dall’ambiente esterno. L’evoluzione dei materiali accentua la loro capacità di interagire con la radiazione solare, richiedendo le caratteristiche di trasparenza e la capacità di filtrare il flusso solare.
Nel commercio sono presenti materiali trasparenti capaci di:
- Sfruttare la maggior quantità di energia da irradiamento solare nella stagione invernale ed essere un’ottima schermatura nelle stagioni estive
- Modulare la trasparenza degli interni durante il giorno
- Orientare e distribuire negli ambienti interni per ridurre l’illuminazione artificiale
Nel settore della costruzione vengono impiegati i seguenti involucri trasparenti:
- Vetri assorbenti: vetri normali a cui vengono aggiunti ossidi metallici coloranti nel miscuglio vetrificabile. Controllano l’irraggiamento solare per assorbimento energetico in proporzione allo spessore della lastra.
- Vetri riflettenti: vengono miscelati ossidi metallici su una delle facciate, permettendo una riflessione di una quota di energia solare. Le proprietà ottiche, termiche ed estetiche variano dal tipo di ossido metallico.
- Vetri bassoemissivi: sono presenti metalli e/o ossidi di metalli che mantengono un’alta trasmissione luminosa e riducono le dispersioni di calore. Questo sistema viene inserito in uno a vetrocamera. È consigliato usarlo in luoghi con climi freddi e temperati. In quelli più caldi è consigliata avere questi esposti verso nord.
- Vetri a controllo solare: hanno una buona trasmissione luminosa, riflettendo l’energia solare verso l’esterno, evitando così il surriscaldamento negli ambienti interni. È spesso consigliato nei climi caldi, riducendo la climatizzazione degli ambienti.
- Vetri selettivi: si ottengono tramite deposizione sottovuoto di più strati di metalli su un vetro e si caratterizzano per l’elevata trasmissione luminosa, il limitato apporto generico e i bassi valori di emissività. Consigliato in climi particolarmente variabili durante l’anno.
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Capitolo 3: materiali, tecnologie e sistemi per involucri innovativi ad alte prestazioni – 4° parte
MATERIALI ISOLANTI TRADIZIONALI E INNOVATIVI - IV PARTE
PCM (PHASE CHANGE MATERIALS)
PCM: italiano “materiali ad accumulo termico variabile”
I PCM non sono propriamente materiali isolanti, ma simulano l’inerzia termica modificando il proprio stato (da liquido a solido e viceversa) in base alla temperatura dell’ambiente. I materiali più utilizzati sono costituiti da paraffine o Sali idrati contenuti in capsule di polimetilmetacrilato.
Il cambio del loro stato avviene tramite la cessione del calore; questo permette di stabilire passivamente la temperatura degli ambienti interni.
Le microcapsule vengono generalmente inglobati negli intonaci di finitura, nelle miscele di calcestruzzo o in pannelli di gesso.
Di fatti sono consigliati in ambienti dove c’è ridotta inerzia termica (soluzione leggere e stratificate a gesso); questi contribuiscono ad una leggera fluttuazione della temperatura degli ambienti, mantenendola negli standard di comfort abitativo (20-26°C).
I PCM possono essere utilizzati:
- Su superfici esterne per ridurre gli effetti di carichi termici estivi
- Su superfici interne per permettere la trasmissione del calore nelle ore notturne durante l’accumulo in quelle diurne.
LE PARETI VENTILATE
Le pareti ventilate sono le soluzioni più tecnologicamente più innovative.
Vengono impiegate sia nelle nuove costruzioni, sia per il recupero architettonico – prestazionale di edifici esistenti.
Viene applicato alle pareti esterne con sistemi a secco, cioè con fissaggi meccanici o chimico – meccanici, il lato non in vista rimane separato dal fronte di parete retrostante, al quale viene applicato uno strato di termoisolante (di solito non idrofilo) tramite un’intercapedine sottile che permette la circolazione dell’aria dentro al rivestimento.
Sul mercato sono presenti:
- Pareti ventilate: dotate di griglie di presa ed evacuazione aria. Nella stagione estiva permette un’efficiente ventilazione nell’intercapedine permettendo di smaltire una buona parte di calore ed evitare l’eccessivo ingresso nell’edificio nella stagione invernale la chiusura completa delle griglie e la formazione di un’intercapedine “cuscinetto” consente una ridotta trasmittanza termica della facciata.
- Pareti microventilate: sono caratterizzate da un rivestimento a giunti aperti che permette la copertura dagli agenti atmosferici del retrostante pacchetto di chiusura restando nella posizione di perfetto funzionamento.
A livello di prestazioni, le pareti ventilate hanno una minore sensibilità all’acqua battente e alla combinazione acqua e vento; hanno una minore probabilità di insorgenza di difetti.
Adatti per edifici alti e isolati.
I vantaggi dell’utilizzo delle pareti ventilate, che permettono la realizzazione di edifici “a energia zero” sono:
- nella stagione estiva di ridurre il carico termico grazie alla parziale riflessione della radiazione solare sulla facciata da parte del rivestimento ed alla ventilazione dell’intercapedine tra isolante e rivestimento. L’energia assorbita viene trasmessa da facciata esterna ad interna con un ritardo dipendente dalle caratteristiche dello schermo esterno.
- Realizzazione isolamento omogeneo e continuo, che permettono un controllo dei ponti termici sulle varie facciate
- Incremento spessore senza particolari difficoltà tecniche ed economiche, permettendo un comportamento energetico conservativo e riducendo ai minimi il fabbisogno energetico.
Lo spessore che di solito viene impiegato per le pareti ventilate sono 15-25 cm, che possono ridursi a 10cm secondo le particolari geometrie dell’edificio in questione.
Maggiore è la distanza tra lo strato isolante e gli elementi di finitura della muratura maggiore sarà il peso che dovrà avere per resistere all’azione del vento. L’utilizzo di pannelli sottili, quali in aerogel o sottovuoto, sono raccomandabili in quanto più sottili.
LE CHIUSURE STRATIFICATE A SECCO
Le soluzioni tradizionali nell’edilizia sono i blocchi in laterizio o in calcestruzzo e isolanti termici; questo fa sì che le chiusure raggiungono anche 40cm di spessore.
La tecnologia a secco si propone come alternativa, soluzione diversa dalla costruzione blocco su blocco e cassero e riempimento con una soluzione in latero – cementizio.
Una costruzione a secco è formata da:
- Struttura
- Involucro esterno
- Partizioni interne con predisposizione impiantistica
Le pareti multistrato a secco hanno valori di massa sufficientemente bassi, ma una forte resistenza termica, isolamento acustico e resistenza al fuoco. La bassa trasmittanza è dovuta dalla tipologia dei vari strati della parete.
Questo metodo innovativo guarda l’ecosostenibilità, in quanto minimizza l’impiego di materiale per la creazione in confronto alle prestazioni fornite; generalmente si usano materiali biocompatibili e in parti riciclabili.
In cantiere, in fase di installazione degli elementi a secco, è necessario a volte seguire solo le istruzioni di montaggio in grado di integrare involucro, struttura e impianti.
Altro scopo è quello di minimizzare le operazioni in cantiere; questo significa creare pannelli preassemblati e collegarli successivamente in cantiere.
La poca diffusione di questa tecnologia è dovuta dalla convinzione che la durata dei materiali sia inferiore rispetto ai sistemi tradizionali; inoltre, le operazioni di manutenzione o di modifica sono più facili, oltre che ad avere costi ridotti per i rinnovi degli ambienti e la destinazione d’uso.
I tempi di costruzione sono più rapide in quanto non richiedono i tempi di evaporazione dell’acqua come nei sistemi ad umido.
Inoltre, in zone sismiche, il sistemo a secco permette di avere una struttura elastica, resistente e dal peso contento limitando gli effetti di deformazione, riducendo la possibilità di avere cedimenti.
Le strutture a secco permettono una rapida ispezione degli impianti, lo smaltimento di aree che hanno concluso il ciclo di vita e poterle eventualmente riciclare.
Per avere un ottimo isolamento termico è necessario combinare un buon involucro; le chiusure vanno ben analizzate per avere una buona tenuta dell’aria e una buona insonorizzazione.
Per la tenuta dell’aria è necessario utilizzare dei teli per l’isolamento acustico c’è bisogno di creare una parete, sempre leggera, ma che rispetti 3 parametri:
- Spessore e tipologie di lastre di rivestimento
- Spessore intercapedine
- Coibentazione dell’intercapedine stessa
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Capitolo 3: materiali, tecnologie e sistemi per involucri innovativi ad alte prestazioni – 3° parte
MATERIALI ISOLANTI TRADIZIONALI E INNOVATIVI - III PARTE
VIP (VACUUM INSULATION PANELS)
I pannelli VIP hanno una conducibilità termica di 0,003 – 0,005 W/mK, grazie al vuoto atmosferico all’interno dei pannelli riducendo la trasmissione di calore per conduzione e per convenzione.
I pannelli sono costituiti da un nucleo in perossido di silicio o in aerogel rivestito da un foglio in plastico in alluminio. A uno spessore da 5 a 10 volte inferiore a quello di un isolante tradizionale. Il loro impiego principale sono negli interventi di riqualificazione o di ristrutturazione, dove lo spazio per isolante termico è sempre ridotto. L’alterazione del vuoto, dovuto a una rottura, riduce drasticamente le prestazioni termiche; quindi, è richiesta particolare attenzione durante la fase di posa. Una soluzione per evitare eventuali rotture e la posa di quelli prefabbricati (all’interno di pannelli sandwich) per garantire la protezione.
ISOLANTI SOTTILI MULTISTRATO RIFLETTENTI
Sono composti da una o più superfici abbassa emissive età con uno o più intercapedini d’aria. I materiali agiscono sulla riduzione dell’energia trasmessa per irraggiamento da una superficie all’altra in un’intercapedine con moti convertivi in atto. Garantiscono una limitazione di flussi di calore tramite il controllo degli effetti conduttivi, convettivi e radioattivi nella stagione sia calda che fredda. I film riflettenti metallici sono assemblati con strati intermedi in ovatta e sintetiche e naturali, schiume, pellicole in polietilene,… Che intrappolano dell’aria ferma. I materiali isolanti tradizionali sfruttano l’aria ferma racchiusa all’interno; i sistemi isolanti e riflettenti operano su tutte le modalità di trasferimento del calore. Le pellicole metalliche li riducono lo scambio termico per radiazione; la formazione di camere d’aria ferma all’interno e all’esterno delle cavità riducono la trasmissione del calore per conduzione/convenzione.
La caratteristica di questi materiali è la loro predisposizione ad interventi edili, dove lo spazio per inserire isolante è estremamente ridotto; la sua fase di montaggio è estremamente delicata e può influenzare il corretto funzionamento ipotizzato nel progetto. Nella scheda tecnica del prodotto viene riportata la presenza di due lame d’aria, che consentono di lavorare su entrambe le facce dell’isolante, riducendo gli scambi termici radiativi, migliorando il comportamento termico della parete. Una pratica comune per la posa di questi isolanti e l’utilizzo di listelli in legno, per la tesatura e il fissaggio dello strato coibente, che viene con graffette metalliche. L’uso del legno serve per non mettere in contatto gli elementi di tipo metallico e il parametro murario, garantendo la funzionalità del sistema.
L’intercapedine tra muratura isolante deve contenere aria ferma e non deve comunicare con l’ambiente esterno, altrimenti la coibentazione avrà effetti ridotti. L’utilizzo di nastri adesivi bassoemissivi in alluminio aiuterà ulteriormente a sigillare.
Gli isolanti multistrato riflettenti hanno un comportamento simile alla barriera vapore. La formazione di condensa sulla faccia calda dell’isolante nella stagione invernale altera i valori di remissività dei fogli riflettenti causerà deterioramento nel tempo.
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Capitolo 3: materiali, tecnologie e sistemi per involucri innovativi ad alte prestazioni – 2° parte
MATERIALI ISOLANTI TRADIZIONALI E INNOVATIVI - II PARTE
AEROGEL
Aerogel è un materiale leggero, con elevata coibenza termica e trasparente; è formato da 96/98% di aria il restante 2/4% da matrice porosa a struttura microcellulare aperta. Le sue proprietà sono assimilabili a quelli del vetro. Oltre alla sua elevata resistenza è anche un materiale fragile: sostiene un massimo di 1000 volte il suo peso, ma si rompe se maneggiato in modo errato. Assicura una buona trasmissione e diffusione della radiazione luminosa. Se esposto all’acqua, può subire modifiche strutturali con il suo deterioramento; per ovviare questo rischio si applicano trattamenti chimici.
Aerogel può essere integrato negli intonaci o come supporto di rinforzo con geosintetici in poliestere feltrati.
L’uso di queste tecniche riduce le quantità dei materiali utilizzati, rispetto a isolanti tradizionali. Il risparmio lo si nota negli interventi di riqualificazione edilizia per gli spazi ridotti disponibili che con l’impiego di materiali tradizionali modificherebbe le soluzioni costruttive con tecnologie innovative. Questo materiale è utilizzato anche negli ambienti interni, dato il poco spessore impegnato alla posa, incrementando le prestazioni delle chiusure. Infatti, non è necessario smontare o modificare davanzali e serramenti.
L’aerogel viene impiegato anche per soluzioni in involucri trasparenti ad alte prestazioni. Per questo utilizzo sono presenti sul mercato:
- in forma granulare, che permette di riempire l’intercapedine delle vetrocamere. Da utilizzare nel momento in cui è necessario un elevato isolamento termico e non è necessaria l’illuminazione naturale per l’ambiente
- in forma monolitica, costituita da lastre da inserire tra due vetri come isolante. Offrono un buon equilibrio tra trasmissione della radiazione luminosa ed isolamento termico. Questa soluzione resta la più indicata nell’edilizia residenziale
L’aerogel può essere utilizzato nei pannelli in policarbonato di tipo alveolare, migliorando la trasmittanza e mantenendo una buona trasmissione luminosa. Il materiale non ingiallisce nel tempo ed è completamente riciclabile nel caso di smaltimento.
Un utilizzo particolare di questo materiale è come materassino, al posto dell’isolante tradizionale, riducendo lo spessore del pannello solare termico.
Unico svantaggio di questo materiale è il costo della produzione.
TIM (TRANSPARENT INSULATIONS MATERIALS)
T.I.M. (in italiano Materiali Isolanti Trasparenti) sono materiali di ultima generazione che stanno riscuotendo successo negli edifici situati in luoghi climatici freddi. Il materiale di base è di tipo sintetico, ha una buona trasmissione e diffusione della radiazione solare e si può lavorare formando una struttura a nido d’ape. Questa forma consente di limitare la trasmissione di calore per convenzione irraggiamento.
Hanno proprietà simili ai componenti opachi (bassi valori di conducibilità termica e buoni livelli di trasmissione delle radiazioni solari); i valori trasmissione con TIM a nido d’ape possono superare il 90% (con incidenza normale) o l’80% (con incidenza diffusa).
Possono essere utilizzati come:
- Pannelli isolanti trasparenti
- Pannelli esterni di sistemi di accumulo termico passivo
- Componenti trasparenti in grado di migliorare la qualità dell’illuminazione
- Sistemi integrati in grado di aumentare la captazione solare di collettori solari termici
- Sistema di buona trasmittanza termica all’interno di sistemi a vetrocamera
CAPTAZIONE TERMICA: tecniche passive di costruzione di un edificio, che utilizza materiali isolanti per ottimizzare le condizioni termiche interne di una costruzione.
CAPTAZIONE SOLARE (O MURO SOLARE): tecnica che prevede un controllo del flusso di calore, controllato dall’uomo tramite un isolante termico, che ha bocchette d’aria che permettono di gestire l’ingresso del calore solo quando viene deciso di farlo entrare.
Nei sistemi di accumulo solare il TIM permette l’accumulo termico con la successiva trasmissione di calore alla retrostante massa muraria che lo rilascerà nell’ambiente interno gradualmente (funzione di magazzino dell’energia termica).
In luoghi con clima mediterraneo c’è il rischio del surriscaldamento nella stagione calda. Per ridurre questo pericolo è necessario un buon sistema di schermatura.
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Capitolo 3: materiali, tecnologie e sistemi per involucri ad alte prestazioni – 1° parte
Negli anni sono stati sperimentati numero combinazioni di tecnologie e sistemi di isolamento degli involucri, con l’obiettivo di portare su larga scala i risultati ottenuti.
Gli edifici pubblici sono stati i primi ad essere costruiti seguendo regole che si sperano di replicare anche per le civili abitazioni.
Le tappe raggiunte per avere involucri sempre più performanti sono:
- Nuove tipologie di multistrato, che si differenziano per il posizionamento del materiale isolante, la presenza della barriera a vapore e dell’intercapedine d’aria con eventuale ventilazione
- Aumento della specializzazione dei singoli strati e le loro prestazioni
- Nuove tipologie di vetro e coating, diffusione di sistemi di vetrocamera e realizzazione di sistemi di schermatura fissa o mobile
- Controllo durata e manutenzione dello strato più eterno più esposto al deterioramento
- Valutazione della sostenibilità e dell’impatto ambientale dei processi di produzione industriale, della messa in opera e del periodo di vita
- Orientamento allo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili e l’integrazione con sistemi nell’involucro
Materiali e prodotti permettono la realizzazione di una molteplicità di soluzioni. Ad esempio, le chiusure verticali opache si differenziano per strato di isolamento.
L’involucro è la sede ideale per integrare sistemi di sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili.
Nel caso in cui si vada ad aggiungere ad un sistema tradizionale, è necessario una integrazione tecnologica e funzionale.
Le innovazioni tecnologiche possono essere di tipo passivo, che sono in grado di modificare la quantità di energia trasmessa in funzione all’inclinazione dei raggi solari, o di tipo attivo, che modifica la quantità di energia trasmessa in base agli stimoli esterni forniti dal sistema.
La soluzione per ottenere prestazioni elevate non basta utilizzare un solo metodo, ma combinare i più opportuni per ottenere un risultato soddisfacente a prezzi competitivi.
MATERIALI ISOLANTI TRADIZIONALI E INNOVATIVI
L’isolante termico ha la funzione di ridurre le dispersioni di calore e limitare i rientri di calore.
Si considerano, oltre al valore della conduttività elettrica, anche l’energia utilizzata per la produzione, la sensibilità al fuoco, ecc.
La natura del materiale, ad esempio, permette di risparmiare CO₂ in fase di produzione o di essere duraturo nel tempo dopo la sua posa.
Inoltre, vengono valutati anche sede di produzione, trasporto fino al cantiere e capacità di riciclo a fine vita del prodotto.
ISOLANTI TRADIZIONALI
Si possono classificare:
- Materiali isolanti di origine minerale (calcio silicato, fibre minerali)
- Materiali isolanti di sintesi petrolchimica (polistirene espanso, poliuretano espanso)
- Materiali isolanti di origine vegetale (sughero, fibre di legno)
- Materiali isolanti di origine animale (lana di pecora)
Nei climi freddi / rigidi è consigliabile un isolante leggero con un buon potere termoisolante, da poter installare anche nelle chiusure orientate a nord prive di irraggiamento solare.
Al contrario, nei climi caldi e con superfici esposte all’irraggiamento è necessario avere materiali con alta densità, capace di mantenere un buon accumulo termico; vanno protetti in quanto particolarmente sensibili alle piogge.
Il poliuretano espanso e il polistirene espanso sono quelli disponibili a basso prezzo e hanno buoni valori di conducibilità termica. Richiedono più energia per essere prodotti, ma meno quantità per l’impiego in quanto hanno ottime proprietà isolanti.
Gli isolanti rinnovabili sono quelli a fibre vegetali e sono a volte composti per circa il 15% da fibra in polistirene, oppure solamente da fibre rinnovabili.
Spesso sono trattati per combattere le muffe, gli insetti e vengono migliorate le prestazioni antincendio.
Con circa 10 cm di spessore, questi isolanti permettono di ottenere uno sfasamento termico di circa 8 ore. Dall’altra parte è sconsigliato l’uso in luoghi particolarmente umidi per la loro alta conducibilità termica.
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Capitolo 2: Contesto ambientale, strategia progettuale e fonti energetiche per gli edifici nZEB – 4° parte
La diminuzione dei consumi energetici non è dovuta solo dalla qualità dei sistemi edilizi attuati, ma anche dal miglioramento della strumentazione, tecnologie e rendimenti dei sistemi impiantistici.
L’obiettivo “zero energy” negli edifici preesistenti richiede un’analisi approfondita, che consente di sostituire, o integrare, impianti tradizionali con quelli di ultima generazione.
Alcuni fattori che determinato l’utilizzo di un sistema rispetto ad un altro è dovuto da:
- stagione
- involucro
- di persone presenti
L’interazione tra involucro e impianti è fondamentale perché durante la stagione estiva o invernale lo scambio di calore o freddo è incontrollato.
La scelta di installare superfici vetrate più o meno ampie determina quali impianti e a quale potenza inserire negli ambienti.
Anche l’installazione di un impianto di riscaldamento (radiatori, a pavimento, …) influisce sulla progettazione o l’adeguamento di ambienti preesistenti.
Nel complesso bisogna valutare:
- esigenze dell’utente (scelta estetica / necessità di spazi)
- destinazione d’uso dell’edificio
- disponibilità di locale tecnico
- aspetti economici
Le soluzioni impiantistiche si basano sui seguenti criteri:
- prestazioni alte, ma con costo di costruzione non elevati
- impianto semplice ed efficace
- facilità di installazione e integrazione dei vari componenti
- facilità nelle manutenzioni
- possibilità di gestire i vari sistemi con la domotica
- sfruttare fonti energetiche rinnovabili e integrabilità nell’involucro
BIPV (Building Integrated Photovoltaics) è tra i sistemi più diffusi nel mercato. Sono integrati in facciata piuttosto che in copertura; l’obiettivo è di unire la qualità estetica e architettonica con la capacità di produrre energia elettrica.
Questi sistemi devono garantire tutte le prestazioni che sono richieste all’involucro e alla finitura che si vanno a sostituire.
BIPV: in italiano è “Sistemi Fotovoltaici Architettonicamente Integrati”. Permette ad un sistema fotovoltaico di essere parte dell’involucro e del sistema edilizio generando nel frattempo energia.
I costi sono inferiori rispetto ad un impianto fotovoltaico classico, in quanto non vanno a rimpiazzare i tradizionali elementi costruttivi.
L’integrazione degli impianti deve ambire a due obiettivi:
- coordinamento funzionale dei vari sottoinsiemi per migliorare l’efficienza in termini di comfort, sicurezza ed economia
- posizionamento, installazione e accesso per manutenzione con integrazione ottimale con l’edificio.
Il concetto di edificio a basso consumo energetico non deve essere correlato con l’idea di crescente fabbisogno e miglioramento qualità della vita. La spinta alla riduzione dei consumi energetici è nata dalla scarsa reperibilità, nonché esaurimento dei combustibili fossili.
Ad oggi qual è il quadro relativo a fonti energetiche tradizionali e rinnovabili?
I combustibili fossili e risorse naturali sono destinata ad esaurirsi; nonostante non si abbia una stima delle risorse disponibili.
Un terzo dell’energia primaria del mondo serve per produrre elettricità (che è energia secondaria).
ENERGIA PRIMARIA: deriva da fonti rinnovabili e non rinnovabili che non ha subito una trasformazione.
Per quanto riguarda la produzione di energia elettrica, le fonti fossili possono lavorare per di più del 90% del tempo in un anno; gli impianti ad energia eolica o solare meno del 30% in quanto disponibili quando è presente vento e sole.
Le fonti di energia rinnovabili contribuiscono solo per il 3% e, rispetto all’energia creata dal combustibile fossile, richiedono più spazio e più utilizzo di materia prima.
Vista la grande quantità di energia richiesta è noto come il combustibile fossile avrà ancora un peso dominante nella produzione di energia.
- Tra le fonti fossili li petrolio è quello che va per la maggiore per il facile trasporto e la elevata densità di energia. Questo è impiegato nel 35% della produzione di energia mondiale, nonostante l’impatto ambientale notevole. L’Italia ne utilizza per il 48% per la produzione di energia.
- Il carbone è la seconda fonte energetica più utilizzata per produzione energia elettrica nel settore industriale. La sua disponibilità è garantita ancora per diversi secoli. Le innovazioni tecnologiche permettono l’utilizzo di carbone “pulito” come combustibile, con un impatto ambientale paragonabile alle centrali termoelettriche, nonostante il ciclo di vita sia decisamente inquinante.
- Il gas naturale (o metano) è usato molto come generatore di energia elettrica, oltre che al riscaldamento del carburante. È scarsamente inquinante, ma è difficile da stoccare e trasferire, in quanto richiede ingenti investimenti economici. Questa alternativa sarà fondamentale nel momento in cui cesseranno di funzionare molto centrali nucleari o a carbone, oppure per ridurre l’emissione di gas serra.
- L’energia nucleare, che ha grandi potenzialità e grandi riserve di uranio, i progetti di sviluppo sono rallentati a seguito dei grandi incidenti.
- L’energia idroelettrica è prodotta dal movimento dell’acqua, sfruttando cascate e bacini artificiali. Questa metodologia copre il 20% della domanda di energia elettrica. A livello mondiale copre la richiesta di energia primaria del 6%, ma è distribuita in maniera disomogenea. L’unico inquinamento che provoca è dovuto alla modifica degli ambienti naturali. In italia viene prodotta circa un sesto dell’energia elettrica nazionale.
- L’energia eolica è tra le fonti rinnovabili con più competitività economica tra gli altri metodi di produzione di energia elettrica. L’unico impatto è quello visivo, in quanto necessitano di essere integrati nel contesto ambientale.
- L’energia solare è quella più diffusa sul pianeta ed è disponibile in quantità superiore al fabbisogno mondiale. È lo strumento meno utilizzato (circa l’1‰) dei consumi di energia primaria. Le tecnologie che permettono l’utilizzo di questa fonte non sono ancora ben sviluppate per poterlo sfruttare a pieno.
- Le biomasse sono le fonti più simili a quelle fossili, in quanto possono essere utilizzati secondo una programmazione. La biomassa deve essere trattata e trasformata in base alla composizione materiale.
- L’energia geotermica è legata al calore della terra che fluisce verso la superficie terrestre, trasportato da acqua e vapore. È principalmente investito per le attività agricole e il teleriscaldamento di fluidi che circolano negli ambienti. Le emissioni di gas serra sono quasi nulle.
A prescindere dalla fonte che si vuole utilizzare, è necessario in primis rendere più efficienti edifici, mezzi di trasporto e attrezzature e far sì che abbiano sempre meno di bisogno di fabbisogno energetico.
L’efficienza energetica permette di utilizzare meno energia, ottenendo lo stesso risultato, e ricavare più energia dalla stessa energia prima.