Schermature solari e involucri ad alte prestazioni: tra innovazione e misura

Data di pubblicazione originale dell'articolo: 24/4/2015

La normativa vigente in materia di energia impone un controllo degli apporti solari gratuiti. Tale controllo implica, in generale¹, un guadagno di apporti nel periodo freddo per una riduzione del fabbisogno di riscaldamento e una limitazione dei carichi termici sulle superficie trasparenti nel periodo riscaldato per ridurre il fabbisogno di raffrescamento. Nella pratica comune Italiana e in edifici termicamente e adeguatamente isolati il controllo del fabbisogno di riscaldamento è affidato principalmente al comportamento passivo dell’involucro opaco e all’efficienza dei sistemi impiantistici installati. In regime estivo, invece, il fabbisogno di condizionamento, così come la verifica del comfort degli utenti sono nella maggior parte dei casi trascurati, oppure demandati a un cautelativo sovradimensionamento dell’impianto di climatizzazione. Se per organismi edilizi caratterizzati da un involucro prevalentemente opaco (edifici residenziali) questo può essere vero, attenzione diversa, invece, deve essere posta per quelle destinazioni d’uso e per quegli edifici che presentano superfici estese di involucro trasparente (tendenza sempre più diffusa nell’architettura contemporanea dove la luce naturale diventa materia di progetto e dove la leggerezza viene associata al concetto di trasparenza) (Fig. 1). Un tale approccio determinerebbe una riduzione del fabbisogno invernale di riscaldamento (sfruttamento degli apporti gratuiti unitamente ad una riduzione delle dispersioni), ma anche un notevole incremento di fabbisogno estivo di condizionamento. Nel caso di grandi superfici trasparenti (maggiori del 40% della superficie di involucro), il serramento/sistema facciata dovrebbe avere una duplice funzione: modulazione dei flussi energetici e controllo del flusso luminoso² (variabile in relazione al contesto climatico e alle condizioni di cielo).
Le strategie per il controllo degli apporti solari e del flusso luminoso sono molteplici. È possibile agire direttamente sulla specchiatura mediante depositi o accoppiamento di uno o più strati (pellicole) o abbinando al vetro uno o più layer-strati interno o esterno (elementi continui o discontinui, permeabili o meno all’aria, regolabili o fissi, interni o interposti) attivabili e disattivabili in funzione delle condizioni esterne e/o interne (Figg. 2, 3). Pensare di agire per il controllo dei flussi di luce ed energia unicamente sulla specchiatura significa disporre di un sistema a comportamento efficiente (vetri selettivi, riflettenti, basso-emissivi) ma statico.
È utile ricordare, per incrementare il grado di complessità, che le protezioni solari devono garantire adeguate prestazioni energetiche senza però limitare la permeabilità visiva verso l’esterno e la ventilazione naturale (per alcune destinazioni d’uso e per alcune tipologie, quando attivate, le schermature possono impedire la ventilazione trasversale). Inoltre, le schermature non dovrebbero produrre una alterazione cromatica degli oggetti o una distorsione nella percezione. Infine, un buon sistema di controllo solare dovrebbe garantire un adeguato grado di libertà nell’attivazione da parte dell’utente.

Fig. 1 – Involucri trasparenti: One SnowHill, Birmingham, 2009, Sidell Gibson Architects, Contractor-Kier Build Ltd, UK (fonte: www.Focchi.it - Foto: Charlotte Wood)

La dinamicità di comportamento della componente trasparente può essere demandata alle protezioni solari e alla variazione di assetto nel tempo di queste (Fig. 4). Tale variazione può essere controllata mediante meccanismi soggetti ad elevati costi di manutenzione e sostituzione o attraverso l’integrazione di nuove
tipologie di attuatori (integrazione di smart materials come ad esempio i materiali a memoria di forma) (Fig. 5).

Fig. 2 – Il trattamento del vetro e le nuove frontiere dei sistemi di controllo solare. Coca-Cola España, Madrid, 2009, De Lapuerta + Asensio Arquitectos Asociados (fonte: Ignacio Fernandez Solla, Arup Madrid)

Fig. 3 – L’evoluzione dei sistemi di controllo solare. La seconda pelle è costituita da elementi traslucidi variamente orientati (fonte: http://www.deemag.com)

Fig. 4 – Le nuove schermature a comportamento dinamico (Kinetic Facades). Q1 ThyssenKrupp Headquarters, 2010, Essen, JSWD Architekten + Chaix & Morel et Associés (Fonte: http://www.archdaily.com, Foto: Christian Richters, Günter Wett, Michael Wolff)

Fig. 5 – Schermature dinamiche senza ausilio di sistema meccanico di movimentazione. Andrew O. Payne, MIT-USA (fonte: http://fab.cba.mit.edu/classes/MIT/863.10/people/andy.payne/Asst9.html).

La geometria e le modalità di attivazione del sistema di controllo solare non sono gli unici parametri che incidono sulla prestazione del sistema. A questi indicatori si devono aggiungere le proprietà ottico-radiative del materiale costituente il sistema. Ed è proprio in questo ambito che oggi si riscontrano le maggiori criticità e nello stesso tempo si esplorano nuove soluzioni che portano ad una sperimentazione tecnologica e formale del componente. Le criticità sono correlate alla mancanza di dati relativi alle proprietà radiative del materiale costituente il sistema o alla miniaturizzazione della geometria del sistema che rende la costruzione del modello virtuale e la successiva simulazione onerosa in termini di tempo macchina per ottenere un risultato.
Per alcune tipologie come ad esempio veneziane, elementi tessili e lamelle si può parlare di prestazione consolidata. Quando invece si impiegano nuovi materiali, soprattutto se permeabili all’aria, a geometria variabile, o a geometria 3D la determinazione della prestazione è più complessa per la forte dipendenza angolare della prestazione (con curve ad andamento variabile e irregolare in funzione dell’angolo d’incidenza) (Fig. 6). Se alla geometria complessa si associano anche materiali con proprietà riflettenti, la valutazione è ancora più critica.

Fig. 6 – Esempi di materiali oggi impiegati (o impiegabili) nei sistemi di controllo solare a geometria tridimensionale e/o bidirezionale in metallo (fonte: Dipartimento ABC, Politecnico di Milano, SeedLab – caratterizzazione delle proprietà ottico radiative delle superfici edilizie).

Fig. 7 – La misura delle proprietà ottico-radiative dei materiali a geometria bidirezionale. τv e τe al variare dell’orientamento del campione, della geometria e dell’angolo d’incidenza della radiazione. A sinistra lamiera stirata a rombo, a destra lamiera stirata esagonale (Fonte: Dipartimento ABC, Politecnico di Milano, SeedLab - caratterizzazione delle proprietà ottico radiative delle superfici edilizie).

Al fine della determinazione del comportamento di una protezione solare è utile distinguere tra proprietà ottico-radiative del materiale costituente il componente e prestazione offerta dal sistema.
Le proprietà ottico-radiative del singolo elemento necessarie al fine della determinazione della prestazione del sistema sono le seguenti:
- Trasmittanza luminosa (τ_v);
- Riflettanza luminosa (ρ_v);
- Trasmittanza solare (τ_e);
- Riflettanza solare (τ_e);

e dipendono da:
- Il materiale costituente;
- il colore;
- la rugosità;
- il grado di permeabilità all’aria o il grado di trasparenza (in funzione del rapporto vuoto su pieno o trasparente su opaco).
La prestazione offerta dal sistema, strettamente connessa alla proprietà del materiale, varia in funzione:
- del tipo (sistema continuo come ad esempio le tende o le pellicole oppure discontinuo formato ad esempio da lamelle);
- della geometria (elemento piano, elemento sagomato piano, elemento sagomato con rilievi);
- del posizionamento (interno o esterno alla specchiatura avente funzione di barriera termica o interposto in intercapedine);
- della tipologia di vetro associato al sistema (g value).

Su elementi opachi o trasparenti piani e continui il problema della modellazione del comportamento energetico non si pone. Il problema in termini energetici, se di questo si può parlare, si manifesta per nuove tipologie di materiale e nuove forme. Tra questi ad esempio le reti e tele (metalliche o plastiche), i tessuti ad alte prestazioni o a prestazione programmata, le lamiere a geometria bidirezionale e/o tridimensionale (elementi stirati o forati), i tessuti tecnici e tridimensionali, i filtri e le pellicole trasparenti (Fig. 7).
Nulla è impossibile e tutto (o quasi) è misurabile. Poi è necessario il passaggio alla macchina: dalla misura alla simulazione della prestazione. E sempre più questo diventa il luogo della sperimentazione. Non può esserci una differenza (se non marginale) tra quanto misurato in laboratorio, simulato e successivamente misurato in esercizio.

Ringraziamenti
Il presente lavoro rientra nell’ambito dell’Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico – ENEA - Report Ricerca di Sistema Elettrico, T. Poli, A. G. Mainini, R. Paolini, A. Speroni, L. Vercesi, Michele Zinzi, Politecnico di Milano – Dipartimento di Architettura, Ingegneria delle costruzioni e Ambiente costruito – Architecture, Built environment and Construction engineering Dept. – ABC, 2013, Valutazione parametrica delle Sviluppo di materiali e tecnologie per la riduzione degli effetti della radiazione solare. Implementazione delle prestazioni e nuovi prodotti per il controllo della radiazione solare.

¹Ovviamente la valutazione in merito al bilancio tra apporti e disperdimenti di un edificio deve essere fortemente contestualizzato (valutazione delle condizioni al contorno ambientali – ostruzioni - e climatiche).
²L’attivazione di un sistema di controllo solare per la riduzione della radiazione incidente è generalmente accompagnata da una riduzione del livello d’illuminamento in ambiente che porta di conseguenza all’incremento del fabbisogno energetico per l’illuminazione.