Ombreggiamenti

Per eseguire una precisa analisi del comportamento energetico di un edificio risulta determinante la corretta valutazione degli apporti termici dovuti alla radiazione solare incidente sulle superfici trasparenti e opache dell’involucro edilizio durante un anno intero.
La quantità di radiazione solare che colpisce una generica superficie è funzione della località climatica, della topografia del luogo, dell’orientamento e dell’inclinazione delle superfici, delle caratteristiche fisiche delle superfici stesse.
Nel progetto di un intervento di nuova edificazione o riqualificazione è importante quindi identificare e valutare la presenza di eventuali ombreggiamenti dovuti a edifici limitrofi, alberi di alto fusto, l’acclività di pendii… Al fine di valutare l’irraggiamento che colpisce una determinata superficie è indispensabile definire tre tipologie di radiazione:

  • la radiazione diretta ovvero quella parte di radiazione che raggiunge il terreno con un unico angolo incidente senza subire riflessioni o assorbimenti;
  • la radiazione diffusa rappresenta quella parte di radiazione che attraversando l’atmosfera viene diffusa (scattering) in tutte le direzioni e raggiunge il suolo con diverse angolazioni;
  • la radiazione riflessa o albedo, che rappresenta quella parte di radiazione diretta e diffusa riflessa dal terreno o da altre superfici circostanti sulla superficie in esame.

Le condizioni di soleggiamento e ombreggiamento possono essere determinate attraverso il diagramma solare che consente di ricavare l’altezza solare, l’azimut e quindi definire il percorso solare relativo a qualsiasi sito.

 

diagramma stereografico

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Rappresenta una proiezione polare della volta celeste, paragonabile alla fotografia del cielo scattata da una persona supina che guarda diritto verso lo zenit con un grandangolo di 180°. Il percorso solare nella volta celeste è definito attraverso l’altitudine e azimut per ogni ora del giorno e alla latitudine della località esaminata. Le circonferernze concentriche rappresentano gli angoli di altezza solare pari a 90° al centro del diagramma fino, con incrementi di 10°, a quello più esterno di 0°. Le linee radiali rappresentano invece gli angoli azimutali in riferimento alla direzione Nord. Infine nel diagramma sono rappresentate le linee curve da Est a Ovest che rappresentano il percorso del sole dall’alba al tramonto e le linee a forma di elica che rappresentano la posizione del sole in una determinata ora. Le traiettorie solari sono tracciate al ventunesimo giorno di ogni mese.
Nella figura è evidenziato la posizione del sole caratterizzata da 21° di altitudine e 140° di azimut, alle ore 9:30 del 5 novembre per la città di Pisa.

 

diagramma ortografico

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Rappresenta una proiezione cilindrica della volta celeste dove le linee orizzontali rappresentano gli angoli relativi all’altezza solare e le linee verticali rappresentano gli angoli azimutali. Note le due grandezze è possibile determinare nel diagramma tutte le ombre portate da aggetti, ostruzioni, edifici esistenti, rilievi montuosi, su qualsiasi superficie differentemente orientata.
Durante i mesi estivi il percorso del sole è maggiore e raggiunge la sua massima altezza sorgendo e tramontando con i massimi angoli azimutali misurati dal sud. Durante i mesi invernali il sole è più basso sull’orizzonte e sorge e tramonta con i minimi angoli azimutali.
Per gli edifici ad elevate prestazione energetiche, come per esempio gli edifici realizzati secondo lo standard passivhaus, l’elaborazione del diagramma delle posizioni solari rappresenta uno strumento indispensabile per la corretta determinazione dei guadagni solari che entrano dai componenti vetrati. Lo scopo è quello di massimizzare il bilancio termico annuale dell'edificio cioè ottenere il maggior apporto solare durante il periodo invernale e il minor irraggiamento diretto per il periodo estivo. In virtù del diagramma solare potrà essere determinata l’ubicazione meglio esposta al sole e valutare le opportune strategie di miglioramento prestazionale.

Per ogni superficie trasparente o opaca presente in un edificio è possibile costruire una maschera di ombreggiamento al fine di valutare l’influenza delle ombre generate da ostruzioni esterne. Nelle figure successive si riportano alcune immagini relative a uno studio condotto per conto di un condominio che ha richiesto di aprire una serie di finestrature in una parete cieca orientata a ovest.
Ai fini della valutazione del comportamento energetico dell’edificio e della determinazione dei guadagni solari è stata effettuata un’analisi degli ombreggiamenti che ha consentito di evidenziare le criticità dell’intervento e allo stesso tempo ha permesso di determinare le strategie idonee al miglioramento dei livelli di comfort indoor dell’utenza (visivo, acustico) associata alla riduzione del fabbisogno energetico per la climatizzazione estiva. Allo scopo, infatti, di prevenire il surriscaldamento degli ambienti soprattutto nelle prime ore del pomeriggio del periodo estivo (parete orientata ad ovest) è stata proposta la soluzione di una schermatura esterna studiata per captare la radiazione solare in quelle determinate ore, consentendo altresì di raggiungere il miglior compromesso del bilancio termico estivo-invernale.

 

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Il fattore ombreggiamento secondo la normativa...

Le normative tecniche inerenti all’efficienza energetica degli edifici come la UNI/TS 11300 e la EN ISO 13790 per il calcolo del fabbisogno di energia invernale e la UNI 10375 per il calcolo in regime non stazionario della temperatura interna degli ambienti durante il periodo estivo, introducono un fattore di riduzione della radiazione solare incidente, definito fattore di ombreggiamento.
Il fattore di ombreggiamento, dovuto alla presenza di elementi schermanti esterni (aggetti, bande verticali, schermi misti) è il rapporto tra la radiazione solare (diretta, diffusa, riflessa) incidente sull’area della finestra in presenza di elementi schermanti e la radiazione solare che inciderebbe in assenza di tali elementi

 

F0 = (Fsdir · Idir · A + Fsdiff · Idiff · A + Irifl · A) / (A · (Idir + Idiff + Irifl))

 

dove:
Fsdir = fattore ombreggiamento relativo alla radiazione diretta dato dal rapporto fra l’area non schermata dalla radiazione solare diretta - l’area soleggiata - l’area totale della finestra
Fsdiff = fattore ombreggiamento relativo alla radiazione diffusa dato dalla % di volta celeste vista dalla finestra in presenza ed in assenza di schermo
A = area della finestra (m2)
Idir = radiazione diretta incidente sulla superficie (W/m2)
Idiff = radiazione diffusa incidente sulla superficie (W/m2)
Irifl = radiazione riflessa incidente sulla superficie (W/m2)

 

Per tenere conto dell’effetto di ombreggiatura permanente sull’elemento vetrato risultante da ostruzioni esterne, aggetti orizzontali e verticali, vengono forniti dei fattori medi di ombreggiatura in funzione della tipologia, dei rapporti geometrici, della latitudine e del mese.
Questi valori forniscono tuttavia un grado di accuratezza limitato in quanto fanno riferimento a tipologie semplificate di schermi esterni e generano errori importanti al crescere della complessità del sistema.