Capitolo 1 – Stato dell’arte
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CAPITOLO 1 – S TATO DELL ’ A RTE
1.1 LA LETTERATURA INTERNAZIONALE
Il presente studio sperimentale ha come oggetto un approfondimento sulle schermature solari, a
livello di catalogazione di tutti i dispositivi esistenti, di analisi condotta per determinare la loro
influenza sulla riduzione degli apporti solari attraverso le finestre di edifici esistenti, in condizioni
climatiche estive, ed infine un approfondimento dei metodi di calcolo esistenti mettendo a
confronto alcuni software di calcolo con la normativa vigente al momento.
Per poter compiere questo percorso di studio è stato necessario prima fare una ricerca nella
letteratura internazionale, per poter approfondire l’argomento in questione, e conoscere quanto
è stato studiato fino a questo momento.
L’analisi dello stato dell’arte nella letteratura internazionale ha riguardato i seguenti ambiti:
Ricerca dei sistemi di schermatura esistenti suddivisi per categorie, in modo da conoscerli
e poter in seguito redigere una loro catalogazione in base ai prodotti riscontrati nel
mercato italiano, formandosi contemporaneamente una prima opinione su quali sono i
più studiati, e su quali sono le loro capacità in fatto di riduzione degli apporti solari;
Ricerca sui metodi di calcolo al momento più utilizzati, comprendente sia i software di
simulazione più realistici, sia le normative da prendere come riferimento per poter poi
realizzare un confronto tra di loro;
Una breve analisi storica riguardante l’evoluzione architettonica avvenuta in particolari
zone che sono segnate da un clima molto caldo, e vedere quindi come l’architettura abbia
tentato negli anni di risolvere o comunque ridurre i problemi da surriscaldamento.
Di seguito viene riportato per ciascuno dei questi campi il quadro delle argomentazioni che sono
state ricavate con lo stato dell’arte.
C’è da dire inoltre che quest’analisi ha portato a scegliere uno degli articoli riportati di seguito per
poterlo riprodurre e studiare in maniera più approfondita, come punto di partenza di una ricerca
che verrà svolta anche su un edificio reale, dopo essere passati per un modello ideale.
Di certo questo studio ha portato ad analizzare un gran numero di articoli, nonostante il fatto che
non tutti quelli trovati si sono poi rivelati adatti e utili alla tesi in questione, se ne riporta
comunque il contenuto, come fonte di ricerca.
Una volta conclusa questa prima fase, è stato approfondito il campo molto vasto della normativa
vigente al momento, a vari livelli, e svolto infine un breve confronto tra le grandezze calcolate.
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1.1.1 Sistemi di schermatura
1.1.1.1 Sistema tenda
La ricerca effettuata nella letteratura scientifica internazionale ha rivelato un ampio scelta di
articoli trattanti soprattutto le tende, siano esse veneziane, avvolgibili o scorrevoli.
Cèsar Dìaz, Antonio Pedrero [6] nel 2008 hanno pubblicato una serie di studi riguardanti
l’isolamento sonoro da rumori aerei in diversi tipi di finestre, schermate con tende avvolgibili e
cassettoni prefabbricati, i più usati nelle zone climatiche che hanno molte ore di soleggiamento,
come la Spagna.
Per ogni tipo di finestra è stata fatta anche un’analisi sugli effetti delle finiture interne nei
cassettoni, la posizione delle tende e l’indice di riduzione sonora secondo i termini di legge.
Nel 2005, Tilmann E. Kuhn [16] espone un metodo per valutare la performance realistica delle
proprietà di controllo solare delle facciate con sistemi di schermatura. E’ risultato particolarmente
adatto per le tende veneziane, e può essere usato con o senza la simulazione di un edificio, per
migliorare l’accuratezza dei programmi di simulazione, o per fare un confronto tra differenti
soluzioni di facciata.
L’approccio consiste in due parti:
a) Determinare la trasmittanza dell’energia solare totale dipendente dall’angolo di
inclinazione;
b) Calcolare la trasmittanza effettiva oraria e mensile, che risulta dipendente solo dalla
posizione e dall’orientamento delle facciate.
Si propone infine di utilizzare il metodo che viene riportato nell’articolo per calcolare la
trasmittanza totale così da poter migliorare quello dato nella normativa EN 13363-1.
I sistemi studiati sono:
interni:
• tende veneziane;
• tende avvolgibili;
• tende a lamelle verticali;
esterni:
• tende veneziane;
• tende avvolgibili.
Tilmann E. Kuhn, Christopher Buhler and Werner J. Platzer (Germania, 2001) [7] descrivono un
metodo per valutare la protezione dal surriscaldamento attraverso diversi tipi di sistemi di
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schermatura (tende veneziane esterne con lamelle metalliche grigie, veneziane interne con
lamelle bianche, perforate), in diverse situazioni (tende aperte e tende chiuse, posizionate
all’interno e all’esterno, a diversi angoli di inclinazione) a cui viene associata una strategia di
controllo.
Lo scopo del metodo è provvedere un semplice e realistico approccio per valutare l’efficacia dei
sistemi studiati in combinazione con i vetri.
Viene riportata una panoramica dei requisiti che devono possedere i sistemi di schermatura
solare: dal comfort termico a quello visivo, da costi bassi ad alta affidabilità, dal rispetto di
requisiti estetici a quelli riguardanti la protezione e la sicurezza contro fuoco, rumore, intemperie,
effrazione.
A seguito dell’aumento della domanda di energia negli edifici, Hans Simmler, Bruno Binder [10]
hanno costruito nel 2006, in Svizzera un test-cell in cui la facciata esposta a sud è schermata con
diversi tipi di veneziane esterne, allo scopo di monitorare la trasmittanza nelle varie situazioni
(lamelle bianche, marroni o bianche perforate; chiuse o aperte in posizione orizzontale, a 45° e a
90°) e nei vari periodi dell’anno.
Figura 1.1. Sezione verticale Figura 1.2. Vista del telaio con sistemi di schermatura montati
durante il periodo di monitoraggio
E’ stata dimostrata l’influenza delle caratteristiche dell’ombreggiatura riguardo il colore e l’angolo
di inclinazione.
Nel 2007, sempre in Svizzera è stata realizzata una cella-test per poter valutare empiricamente dei
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programmi di simulazione energetica degli edifici. Sono stati scelti per essere messi a confronto
Energy Plus ed Helios.
Gli studiosi, Peter G. Loutzenhiser, Heinrich Manz, Stephan Carl, Hans Simmler, Gregory M.
Maxwell [17] si sono concentrati su quattro situazioni diverse:
Veneziane esterne con lamelle orizzontali;
Veneziane esterne con lamelle inclinate di 45°;
Mini-tenda interna montata sul vetro con lamelle in posizione orizzontale;
Mini-tenda interna montata sul vetro con lamelle inclinate a 45°.
Figura 1.3. Tenda veneziana esterna al vetro della cella di test Figura 1.4. Tenda veneziana interna al vetro
Viene calcolata la trasmittanza solare e il potere di raffrescamento nell’arco di una giornata.
Ogni simulazione è stata fatta con entrambi i programmi, e i risultati sono stati messi a confronto
con il monitoraggio e ne sono risultate delle differenze nell’energia solare trasmessa, forse dovuto
al fatto che Energy Plus considera le lamelle piatte, mentre in Helios è possibile tenere presente
anche la loro curvatura.
Athanassios Tzempelikos (Canada) [12] hanno scritto un articolo nel 2008, trattante l’impatto
della geometria e dell’angolo di inclinazione delle veneziane alla vista, la trasmissione della luce
diretta e l’illuminazione interna. E’ possibile dividerlo in due parti in base agli argomento trattato.
La prima presenta un metodo sistematico per calcolare la frazione di vista ombreggiata o lasciata
libera da tende veneziane di qualsiasi forma (piana o curva), in funzione dell’angolo di rotazione,
del bordo e dello spessore delle lamelle.
Mentre la seconda parte riporta dei calcoli analitici per la trasmissione diretta attraverso le
veneziane, ugualmente di forma piana o curva.
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Figura 1.5. Trasmissione diretta attraverso lamelle piane Figura 1.6. Trasmissione diretta attraverso
lamelle curve
Nella parte finale viene stimato l’impatto dell’ombra e della riflettanza delle lamelle sul sistema
tenda-finestra.
1.1.1.2 Sistema degli aggetti e schermature orizzontali
Nel 2005, Geoffrey van Moeseke, Isabelle Bruyère, André DeHerde [1] si sono concentrati
sull’impatto delle strategie di gestione dei dispositivi mobili esterni e sul raffrescamento da
ventilazione naturale con lo scopo di dimostrare che le scelte di gestione hanno un reale impatto
sull’energia e sui criteri di comfort.
Il metodo si basa su simulazioni di tipo dinamico per entrambe le tecniche, realizzando una cellula
come modello di stanza adibita a ufficio, orientata a sud, durante un tipico anno in Belgio. Sono
due i set di simulazione che vengono trattati.
Figura 1.7. Geometria e dimensioni del modulo di ufficio modellato
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Nel primo si considera la ventilazione notturna, che avviene tramite l’aria esterna grazie ad un
costante ricambio su base oraria; mentre nel secondo set la ventilazione naturale è simulata
durante le ore di occupazione.
Nel primo set vengono modellati tre tipi di schemi di gestione:
1) basato soltanto sul livello di irradianza: la schermatura è chiusa quando l’irradianza sul
lato sud verticale supera un valore scelto, mentre è aperta quando questo valore è più
basso;
2) basato soltanto sul livello di temperatura: come il modello precedenete la schermatura si
chiude quando la temperatura interna supera una certa soglia e viene aperta quando la
temperatura scende al di sotto;
3) si basa sulla combinazione dei modelli precedenti: ossia la schermatura viene chiusa
quando entrambe le condizioni sono adempiute, e aperte quando solo una delle due
viene rispettata.
In conclusione la discussione si basa sulla domanda di energia risultante e sulle condizioni di
comfort.
Per quanto riguarda le ombreggiature, le strategie basate sia sulla radiazione solare sia sulla
temperatura interna, si dimostrano più efficienti di quelle basate su uno solo di questi fattori.
I risultati presentati qui, trattano separatamente le regole di controllo per i sistemi di schermatura
esterni e le regole riguardanti il raffrescamento da ventilazione naturale. Le modalità dovrebbero
essere attentamente selezionate in base alle caratteristiche dell’edificio e ai dati climatici del
luogo. Inoltre un controllo ideale dovrebbe essere ottimizzato per ogni stanza, tenendo presente
la massa termica, l’esposizione e l’irraggiamento.
In Italia, precisamente al Politecnico di Torino, nel
2005, è stato svolto uno studio per rendere più
accurate le simulazioni della luce solare. Questo
può avvenire o tramite computer o usando dei
modelli in scala. Gli autori, C. Aghemo, A.
Pellegrino, V. R. M. LoVerso [9], hanno deciso di
focalizzare la loro attenzione su quest’ultimo tipo
di approccio, realizzando un simulatore della luce
del sole e del cielo.
Figura 1.8. ll simulatore di cielo
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L’uso dei modelli in scala sotto un cielo artificiale offre la possibilità di usare materiali reali, di
avere una visione dell’ambiente illuminato e di simulare un numero maggiore di condizioni di
cielo.
Si riporta un esempio in cui vengono simulati diversi periodi dell’anno e con diverse configurazioni
di aggetti schermanti, riportando poi i risultati del caso di studio.
L’articolo descrive le potenziali applicazioni di quest’impianto, che permette di valutare gli effetti
quantitativi e qualitativi delle diverse ombreggiature.
Nel 2006 sono state condotte delle simulazioni nel clima freddo di Huston e caldo di Chicago, ad
opera di E.S. Lee, A. Tavil [11], nel tentativo di migliorare il comfort visuale degli ambienti
lavorativi di facciate esposte a sud. La prova consisteva nel combinare le finestre elettrocromiche
con aggetti esterni che proteggono dalla radiazione solare diretta, in diverse posizioni e
dimensioni, e con tende interne controllate manualmente.
Figura 1.9. Configurazione del sistema finestra
Tuttavia l’argomento non si è rivelato particolarmente adatto all’argomento trattato in questa
tesi.
Uno studio condotto sull’impatto luminoso dei balconi negli atrii è stato svolto da Gon Kim, Jeong
Tai Kim nel 2009 [13], nella Corea del Sud. Gli autori hanno sviluppato questa ricerca con lo scopo
di sviluppare delle conoscenze in merito a fattori di performance critica di daylighting, valutando i
relativi effetti di varie configurazioni di balconi interni sul livello di illuminamento e la sua
distribuzione in diverse geometrie di atrii.
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Sono stati realizzati diversi modelli in scala, e i parametri misurati sono stati rilevati sotto diverse
condizioni di cielo, tramite un simulatore. I risultati hanno mostrato che l’indice di benessere e la
profondità dei balconi sono i più significativi fattori che influenzano il daylighting.
Figura 1.10. Vista assonometrica di un modello in scala dell’atrio
F. Gugliermetti, F. Bisegna [15] hanno studiato a Roma degli algoritmi semplificati per valutare
l’illuminamento naturale interno in dei punti di una stanza, attrezzata con sistemi fissi di
ombreggiatura. Lo scopo principale è quello di poter ridurre i calcoli dell’analisi dinamica
attraverso tre livelli di semplificazione.
Il metodo proposto è basato sulla divisione dell’illuminamento interno in due componenti, la
radiazione solare diretta e quella diffusa.
L’analisi è stata sviluppata nel 2004 attraverso un modello in scala rappresentante una stanza
adibita a uffici, considerando situazioni climatiche diverse, come Roma, Bolzano, Messina, Madrid
e Atene.
I sistemi di ombreggiatura scelti sono: aggetti per le finestre orientate a sud, e frangisole a lamelle
verticali per quelle orientate ad est.
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Figura 1.11. Modello in scala e strumenti di misura
Tra i vari tipi di schermature è possibile considerare anche le ostruzioni causate dagli edifici molto
alti di fronte alle finestre. Anche questa è una forma di ombreggiatura da tenere in considerazione
in quanto può ridurre l’apporto solare ma anche ridurre il quantitativo minimo di luce naturale.
Non a caso forse questo studio è stato condotto in Cina, da D.H.W. Li, S.L. Wong, C.L. Tsang, Gary
H.W. Cheung nel 2006 [14], prendendo in considerazione alloggi residenziali che fronteggiamo
grandi ostacoli visivi (nel cielo), tramite simulazioni al computer.
Figura 1.12. Definizione dell’angolo di ostruzione esterna
Le prestazioni di daylighting per le stanze interne sono state investigate in termini di livello di
illuminamento e fattore di luce diurna. Si è scelto di utilizzare come simulatore il programma
EnergyPlus.
I risultati hanno dimostrato che negli appartamenti situati ai piani inferiori in edifici molto alti, la
luce naturale è insufficiente e di scarsa qualità, rendendo quindi necessario un supplemento di
luce artificiale.
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1.1.1.3 Sistema persiana
Diversi tipi di rivestimenti per finestre sono state testate in un’abitazione per un periodo di due
mesi, durante l’inverno del 1984 in Canada.
L’autore, Keith Nicol [2] ha confrontato le prestazioni di quattro tipi di tendaggi, composti da
materiali diversi, mettendo in relazione la temperatura dell’aria esterna e la differenza di
temperatura tra la finestra e la stanza. I risultati dei test dimostrano che si comportano tutti
all’incirca allo stesso modo.
Si è testato poi, sempre per un periodo di due mesi il sistema di persiane isolante per determinare
il risparmio di energia che potrebbe essere attribuito al loro uso.
In conclusione però si sconsiglia di estendere queste conclusioni anche ad altri luoghi geografici e
con edifici aventi caratteristiche differenti.
Un altro studio che tratta le persiane tradizionali dello Yemen è stato svolto da Abdullah Zeid
Ayssa nel 1996 [4]. La loro particolarità è la molteplicità di funzioni: dalla vista, alla luce, alla
ventilazione, dalla protezione alla privacy. Tra queste è stata in particolare investigata la luce
naturale interna, e la sua qualità, proveniente sia dalla parte alta che bassa della finestra,
soprattutto nel caso in cui le persiane sono chiuse e con tende bianche all’interno.
1.1.1.4 Elementi vegetali
Tra gli esistenti sistemi di schermatura al mondo, forse il più antico è quello che fa uso della
alberature. Kenneth Ip, Marta Lam, Andrew Miller [18] hanno pubblicato un articolo in cui
riportano i risultati dei loro studi effettuati nel Regno Unito, focalizzati sulle capacità di
ombreggiatura delle piante rampicanti a foglie caduche.
Queste piante, se strategicamente integrate nelle facciate degli edifici, possono attivare
un’ombreggiatura dinamica con riferimento ai cambiamenti climatici stagionali. Infatti la massima
ombreggiatura si ha durante l’estate, quando la pianta è al massimo della crescita; mentre la
caduta delle foglie in autunno e in inverno riduce l’ombreggiatura, permettendo alla radiazione
solare di essere assorbita dalla superficie dell’edificio.
Sebbene le piante rampicanti siano state molto usate per moderare il microclima degli edifici, ci
sono poche indagini scientifiche che tentano di quantificarne gli effetti. In questo studio, due
piante di una particolare specie sono state scelte e poste su un edificio esistente in UK, e
monitorate per un periodo di 2 anni. I dati misurati poi sono stati usati per calcolare una serie di
coefficienti di Bio-ombreggiatura giornalieri, cioè il rapporto tra l’irraggiamento solare dietro la
bio-ombreggiatura e l’irraggiamento davanti ad essa.
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I risultati sono applicabili e confrontabili solo con quel tipo di pianta e con il clima inglese, ma il
metodo usato è estendibile a differenti piante e climi.
Figura 1.13. Sezione della Bio-schermatura
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1.1.2 Metodi di calcolo
Nel 2001 è stato fatto uno studio da parte di Gouri Datta [8], dell’Università di Nuova Delhi (India)
sulla performance termica di un edificio attraverso lo strumento di simulazione TRNSYS,
incorporando un sistema di ombreggiatura esterno alle finestre.
Lo studio è stato condotto per diverse città italiane (Milano, Roma, Napoli, Palermo), variando lo
strumento scelto. Vengono mette a confronto due stanze adiacenti e orientate rispettivamente a
nord, senza l’ausilio di schermature, e a sud, con schermature a lamelle orizzontali.
Figura 1.14. Pianta dell’edificio simulato Figura 1.15. Sistema di schermatura a lamelle
Si è visto che i sistemi di ombreggiatura sono efficaci per ridurre il bisogno di raffrescamento in
estate e il carico annuo di energia primaria di un edificio, ma anche che il fattore ombreggiatura
varia con il momento della giornata e con il periodo dell’anno. Inoltre la scelta del dispositivo
schermante è risultata dipendente dalla località e dalle condizioni climatiche in cui deve essere
usato.
Per analizzare sistemi con un alto apporto solare è importante riuscire a prevedere in modo
accurato la radiazione solare sulle superfici, che spesso è influenzata dalle ostruzioni in facciata,
dagli edifici vicini e dal paesaggio. Quindi un requisito necessario per un programma di
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modellazione è proprio la capacità di prevedere quali parti dell’edificio sono ombreggiate e quali
no.
Marion D.E. Hiller, William A. Beckman, John W. Mitchell [19] hanno introdotto nel 1999 un nuovo
programma di simulazione, il TRNSHD, che risponde a questi requisiti. E’ stato sviluppato in USA
inizialmente per gli edifici simulati con TRNSYS, ma funziona anche in modo autonomo.
Figura 1.16. Strutture di dati dell’input geometrico
Questo programma è stato messo a confronto con altri algoritmi di calcolo, di standard Europei e
ASHRAE, risultando la validità dei suoi risultati, in accordo con i valori sperimentali.
Daisuke Uchida, Kenji Otani, Kosuke Kurokawa [20] hanno sviluppato in Giappone un sofisticato
metodo di verifica che è in grado di valutare il rapporto di qualità, l’efficienza energetica
condizionata, il fattore di temperatura, il fattore di ombreggiatura, il fattore di carico
corrispondente, e altre matrici di parametri.
Nell’articolo proposto (2001) è stato modificato questo metodo per far si che tenga conto anche
dell’orientamento e dell’inclinazione delle lamelle, migliorando così l’accuratezza della
valutazione. Per far questo è stato meglio definito l’algoritmo che stima la perdita di
ombreggiatura, rendendo alla fine intellegibili per ogni ora l’effetto dell’ombreggiatura.
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L’intento dell’articolo scritto da Petar Blanusa, William P. Goss, Hartwig Roth, Peter Weitzmannn,
Claus F. Jensen, Svend Svendsen, Hakim Elmahdy [21] è di descrivere e di confrontare due
differenti metodologie di calcolo del trasferimento di calore bidimensionale, usate in Nord-
America (ASHRAE) e in Europa (ISO 10077-2 e ISO 15099). Questo studio è stato condotto nel
2007 in Canada, e si è subito visto che i due approcci sono differenti nel modo in cui trattano il
distanziatore dei vetri sul trasferimento di calore attraverso il telaio e il vetro vicino ad esso.
ASHRAE assume che il distanziatore determina il trasferimento di calore sia attraverso l’infisso, sia
attraverso il vetro in uno spazio detto “margine di vetro” dell’ordine di 63,5mm. Mentre il metodo
esposto nella ISO assume che il calore in più trasferito a motivo dell’esistenza di questo spazio è
proporzionato alla distanza telaio/vetro e alla lunghezza totale del vetro stesso.
Viene riportato un esempio di calcolo della trasmittanza termica usando i due metodi per una
finestra con telaio in alluminio. Le analisi mostrano l’esistenza di piccole differenze tra i valori
calcolati dell’ordine del 3%, e che queste differenze diminuiscono come l’area totale aumenta.
Inoltre si è visto che il metodo tenuto dalla ISO per la definizione del “margine di vetro”, secondo
il quale la distanza va aumentata fino a che ci sono i cambiamenti di flusso di calore, è migliore
perché si è visto che i 63,5mm non sempre riescono a coprire tutta la distanza del flusso
bidimensionale che ricorre nel vetro.
Risulta anche che né l’ASHRAE né l’ISO sono in grado di riprodurre i valori di trasmittanza termica
tridimensionale ottenuti tramite programmi di analisi con i più sofisticati computer. Questo sta ad
indicare che le ricerche future dovrebbero focalizzare l’attenzione sullo sviluppo di fattori di
correzione (sotto forma di tabelle o di formule) in modo da correggere i valori di trasmittanza
termica bidimensionale.
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1.1.3 Architettura vernacolare
Si riportano si seguito due articoli di fatti poco significati per l’argomento della tesi, ma comunque
interessanti, riguardanti delle analisi climatiche fatte su edifici vernacolari situati nell’Isola di Cipro
e in Grecia, o meglio sull’influenza che il clima ha avuto nella progettazione e nell’evoluzione
dell’architettura di questi luoghi.
Nazife Ozay [3] nel 2004, ha proposto delle considerazioni di tipo climatico su quattro differenti
periodi architettonici, nelle aree urbane e rurali di Cipro.
I parametri presi in considerazione sono il sito di pianificazione, il progetto dell’edificio, elementi
costruttivi specifici; inoltre si è tenuto conto dell’aspetto socio-economico, tecnologico, culturale,
politico e strategie di gestione.
Nel 2008, Vissilia Anna-Maria [5] ha indagato vari tipi di abitazioni in mattoni e di come queste
rispondono al clima, in termici di luogo e di progettazione.
Quest’articolo valuta abitazioni specifiche, basate su principi di progettazione di tipo passivo che
potrebbero adattarsi a pratiche architettoniche correnti nell’area, in modo da ottimizzare le
relazioni tra sito, edificio e clima.
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