Il software nel processo progettuale della schermatura solare

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IL SOFTWARE NEL PROCESSO PROGETTUALE DELLA SCHERMATURA SOLARE di Katia Gasparini

L’Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), e in particolare la sua versione più rigida Recast del 2010, richiede che, a partire dal 2020, in Europa tutti i nuovi edifici siano realizzati a ‘energia quasi uguale a zero’. E’ un obiettivo raggiungibile attraverso l’adeguamento di tutto il sistema edilizio nelle sue componenti e nei materiali, ma soprattutto il sistema di chiusura perimetrale assume un ruolo preminente. L’involucro è composto di parti opache e trasparenti, con ruoli e

prestazioni diverse. Ai fini del controllo dell’irraggiamento e del progetto delle schermature solari focalizziamo l’attenzione sulle chiusure verticali trasparenti, che sembrano essere il tallone d’Achille del sistema di chiusura. La partizione vetrata dell’involucro edilizio svolge un ruolo chiave in quanto consente alla luce e al calore di entrare negli ambienti confinati. I livelli di luce, che è calore, variano durante l’anno e durante la giornata. Pertanto è indispensabile un monitoraggio

Fig. 1: J.Nouvel, Londra, One new change. Curtain wall in vetro con schermatura mista: vetro serigrafato e tende interne (ph. Katia Gasparini) Tende e Schermature Solari n.4-2016

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puntuale per raggiungere l’obiettivo auspicato dalla direttiva EPBD [1].

La schermatura solare negli ultimi 10 anni è diventata un sistema sempre più complesso, per rispondere ai requisiti di comfort ambientale, benessere, sicurezza, aspetto e a standard normativi sempre più cogenti.

Per tale motivo la schermatura solare non può essere considerata come un dispositivo secondario delle chiusure in vetro, a libera scelta di un utente generico, che per ovvie ragioni di conoscenza e scarsa informazione si limita alla scelta del decoro del tessuto, dei colori e, al massimo, della forma del sistema schermante, con frequenti evidenti ricadute drammatiche sulla risposta ai requisiti sopra esposti e sull’aspetto dell’edificio (qualità ambientale). Il progetto della tenda o di qualsivoglia sistema schermante deve essere integrato nel progetto in fase preliminare, curato quindi dal progettista se non addirittura da una figura specializzata, per rispondere alle richieste del cliente, ma soprattutto per soddisfare le esigenze normative. Agendo in questa fase sarebbe quindi possibile valutare l’impatto energetico complessivo rispetto le prestazioni dell’edificio e specificare di conseguenza i dispositivi di riscaldamento e raffreddamento. In questo modo è possibile determinare il comfort visivo e termico degli ambienti, evitando eventuali modifiche del sistema involucro o impiantistico dopo la realizzazione.

I fattori da prendere in considerazione per la scelta della schermatura solare sono molteplici, dal clima esterno, all’ambiente circostante, all’orientamento dell’edificio così come il profilo dell’utente e molti altri aspetti ancora. Attualmente esistono i software di simulazione che possono quantificare questi effetti ed elaborare i dati funzionali al progetto della schermatura. In generale una schermatura dinamica sembra essere un elemento essenziale nella concezione dell’edificio.

Secondo il report della European Solar Shading Organization [2] gli edifici sono responsabili del 40% circa del consumo primario complessivo di energia in Europa, quindi in nome del concetto di sostenibilità ambientale è cresciuta la pressione per aumentare la loro efficienza energetica. Il risparmio potenziale sembra essere enorme: secondo il documento citato oggi la gran parte delle costruzioni consuma più di 250 kWh/m2 , mentre negli edifici di nuova costruzione in cui sono seguiti principi di sostenibilità ambientale (sistemi costruttivi e materiali a basso impatto ambien-

tale ed alto contenimento energetico) i dati sembrano essere ben sotto i 100 kWh/m2 Molti paesi stanno lavorando sulla normativa che limiterà l’utilizzo massimo di energia a 50 kWh/m2 nei prossimi anni. Allo stesso tempo, il concetto di casa Passiva e Attiva sta guadagnando quote di mercato e il Parlamento Europeo ha affermato che vorrebbe dal 2019 in poi tutti i nuovi edifici a energia prossima allo zero.

Per tale ragione assume sempre più importanza il ruolo della schermatura solare su larga scala e delle tende in particolare nella piccola scala dell’edilizia residenziale.

Nel 2010, ES-SO e REHVA (Federazione delle associazioni europee di riscaldamento, ventilazione e aria condizionata) hanno pubblicato congiuntamente una guida sulle schermature solari. Essa contiene i riferimenti ai calcoli per il fabbisogno energetico effettuati su un ufficio modello in tre città europee. Per eseguire i calcoli è stato utilizzato il software EnergyPlus TM, software gratuito e opensource per la simulazione termica e diagnosi energetica in regime dinamico degli edifici. Attraverso EnergyPlus è possibile accedere in modo completo a tutte le impostazioni del modello termico di un edificio nonché ai report dettagliati in uscita come le temperature superficiali delle pareti. Input e output dell’edificio vengono gestiti attraverso delle tabelle di dati che non hanno automatismi o elementi grafici semplificativi [3].

La scelta del software e l’offerta del mercato Nei fatti, negli ultimi anni abbiamo assistito ad una continua immissione sul mercato di software più o meno dedicati per il calcolo del carico energetico degli edifici, dell’ombreggiamento, fino, in alcuni software d’oltralpe, alla definizione della tipologia di schermatura e addirittura del colore. Certamente le Direttive Europee sul risparmio energetico hanno contribuito a sensibilizzare ulteriormente i ricercatori che si sono dedicati allo sviluppo di questi programmi. Fra gli obiettivi principali di questi software vi sono il controllo dell’ombreggiamento e il risparmio di energia sul raffrescamento estivo degli edifici. Alcuni software sono sviluppati in sinergia con enti di ricerca, altri da associazioni di produttori, altri dai produttori stessi. Buona parte di essi è freeware oppure open-source.

I dati immessi e i risultati sono variabili a seconda della tipologia di software e dei conseguenti obiettivi, modelli più semplici potrebbero fornire risultati non comTende e Schermature Solari n.4-2016

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pletamente soddisfacenti rispetto la risoluzione delle problematiche poste, ma possono ugualmente essere una base di partenza per il tecnico per impostare una progettazione di massima.

E’ importante comprendere che il solo software non fornisce la soluzione per la realizzazione della schermatura perfetta, in termini di prestazioni e progetto, anzi. Il progetto della schermatura deriva da una serie di parametri (e quindi conoscenze) di tipo progettuale, ambientale e fisico. Quindi il software non risolve se non parzialmente il problema, poi i risultati dovranno essere interpolati con l’orientamento in fase di progetto, il colore della schermatura, le variabili ambientali e locali, le abitudini dell’utenza.

Ogni software, nonostante obiettivi comuni , può dare risultati diversi a seconda del metodo di calcolo utilizzato. Spesso questi strumenti sono erroneamente utilizzati con la convinzione che possano prevedere delle condizioni ambientali di progetto strettamente rispondenti alla realtà.

La validazione dei risultati sembra essere una questione spinosa nello sviluppo di strumenti per la progettazione [4].

Altro aspetto, non trascurabile, è la veloce obsolescenza di prodotti informatici, che non sempre vengono aggiornati dagli utenti.

In alcuni casi l’uso dei vecchi diagrammi solari potrebbe rivelarsi ancora molto utile, magari in abbinamento ad un software fra quelli descritti di seguito (fig. 2-3).

Si tratta di uno strumento utile a descrivere la volta celeste ai fini architettonico-progettuale perché rappresenta la volta celeste proiettata su un piano. Sul diagramma ai possono tracciare poi i percorsi solari nelle diverse stagioni in modo tale che si possa individuare la posizione del sole in un dato momento .

Il sito SOLARCHVISION (solarchvision.com) offre alcuni spunti interessanti, alcuni dei quali sono collegati all’uso di diagrammi solari per la comprensione del clima, altri riguardano l’utilizzo di questi dati per la progettazione urbanistica, architettonica e l’ombreggiamento [5].

In linea generale, i software che riguardano le schermature solari potrebbero essere raggruppati secondo quattro obiettivi in funzione del progetto (Premier, 2012): - verifica dell’ombreggiamento; - progettazione illuminotecnica; - valutazione dell’efficienza energetica; - integrazione con i prospetti degli edifici.

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Per una banale verifica dell’ombreggiamento, ovvero per il calcolo delle ombre del sole sugli edifici e quindi sulle parti finestrate, vi sono oggi funzioni integrate nella maggior parte dei software di modellazione tridimensionale e di rendering. I più diffusi sono 3D Studio Max, Rhino, SketchUp, ArchiCAD, ecc. Basta immettere i dati relativi ad altezza, azimut e angolazione solare, giorno ora e luogo, quali parametri standard. Alcuni software più dedicati e intuitivi sono stati spesso messi a disposizione sia dai produttori di tende sia in alcune pubblicazioni di settore. Alcuni sono più ad uso e consumo dell’utente finale per la scelta della tipologia di tenda e colore in rapporto alla facciata dell’edificio, quindi con un scarso-nullo rapporto rispetto le prestazioni energetiche, altri sono più indicati per i progettisti, come i software indicati sopra. Il più datato e fra i pionieri sembra essere stato il software HELIOS, realizzato da A.J.Marsh nel 1994, della School of Architecture and Fine Arts, The University of Western Australia, un programma shareware pubblicato su Internet.

Il controllo dell’efficacia delle schermature solari può essere effettuato anche mediante software per la progettazione illuminotecnica. Questi programmi permettono di realizzare progetti tridimensionali inserendo le fonti luminose artificiali e verificando l’illuminazione naturale. Queste funzioni sono parzialmente integrate anche nei più noti software di modellazione tridimensionale e rendering.

La verifica in questi software avviene sia sotto forma di visualizzazione, con generazione della simulazione fotorealistica a colori “reali” e rendering a “colori sfalsati” e anche sotto forma di diagrammi. Le immagini a colori sfalsati permettono di visualizzare, con gradazioni cromatiche a forte contrasto, il valore dell’illuminamento che le superfici della stanza ricevono in zone raggiunte diversamente dalla luce. Ad ogni colore corrisponde un valore numerico. La misurazione viene effettuata in Lux. I diagrammi riportano numericamente i valori sulla pianta dell’edificio o tramite isolinee.

A questo proposito DIALux è un software standard per il calcolo illuminotecnico, freeware. Permette di realizzare un modello tridimensionale e di produrre simulazioni fotorealistiche dello stesso con il motore contenuto al suo interno . E’ possibile importare le planimetrie da AutoCAD e modelli tridimensionali da 3DStudio. Nel modello tridimensionale vanno inseriti gli elementi schermanti sulle facciate che si ipotizza-

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no vetrate. Anche Relux è sostanzialmente gratuito, ma ha estensioni a pagamento.

Verifiche ancora più accurate possono essere effettuate mediante il software DAYSIM, sviluppato dall’Institute for Research in Construction del National Research Council Canada. Si tratta di un software gratuito per scopi progettuali e scientifici.

Per quanto riguarda la valutazione dei consumi di energia elettrica in presenza di un sistema di controllo, attualmente i software in grado di eseguire tale valutazione sono poco numerosi.

In linea generale:

- Daysim - Lightswitch - Adeline - Energy Plus In merito alla valutazione dell’efficienza energetica, la maggior parte dei software che riguarda le schermature solari è volta a dimostrare come si possa ottenere una riduzione dei costi sul consumo degli impianti di condizionamento estivo utilizzando le schermature solari. L’obiettivo di questi software è in genere quello di calcolare il valore g-tot, ovvero il fattore globale del sistema vetro-schermo.

Shade Specifer è un software shareware dedicato

Fig. 2: Studio soleggiamento attraverso diagrammi solari e software Dialux (disegno: F. Del Moro, A. Trentin, Lab. Costruzione 2-Università Iuav di Venezia- a.a. 2008/09) Tende e Schermature Solari n.4-2016

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all’industria britannica per le schermature solari, sviluppato nel 2008 dalla BBSA (British Blind & Shutter Association), associazione britannica di schermature solari. Inserendo i dati relativi alla localizzazione geografica, vengono forniti due modelli standard di edificio ed è possibile scegliere il tipo di vetro, l’orientamento, il tipo di schermatura interna e, in un passaggio successivo anche quella esterna. Questo software consente di visualizzare quelle che definisce “prestazioni visive” e le “prestazioni energetiche”. La sezione

sulle performance energetiche consente di ricavare il risparmio economico sul consumo degli impianti di raffrescamento, il risparmio energetico e la riduzione di emissioni di anidride carbonica nell’ambiente.

Shadecalc è un software opensource ed ha l’obiettivo di calcolare il g-tot ottenibile con le tende da sole.

Le variabili da impostare sono relative a tenda interna o esterna o interposta e successivamente la tipologia di tenda (lamelle, caduta, proiezione), tipo di vetro, tipo di tessuto (e caratteristiche fisiche). E’ possibile

Fig. 3: Studio soleggiamento attraverso diagrammi solari e software Dialux (disegno: T. Del Zenero, S.Terranova, Lab. Costruzione 2-Università Iuav di Venezia- a.a. 2008/09) Tende e Schermature Solari n.4-2016

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ricavare anche il valore percentuale g-tot del sistema infisso-schermatura.

Parasol è un software del Lund Institute of Technology dell’Università di Lund in Svezia, freeware e aggiornato, disponibile in inglese e svedese, con un’interfaccia user-friendly molto intuitiva.

TRNSYS (Solar Energy Laboratory University of Wisconsin Madison, 2004) è uno degli strumenti più̀ conosciuti e usati per l’analisi dinamica delle prestazioni energetiche degli edifici. Il codice opera principalmente facendo un bilancio termico orario dell’edificio considerato, usando il metodo z-transform. La riconosciuta validità̀ di questo strumento rende il confronto con altri software poco significativo. Il TRNSYS opera tramite l’interazione di diverse subroutine (TYPE) che esistono in libreria, ma che possono, all’occorrenza, essere implementate (Enea, Report RSE/2009/10).

Textinergie ® è un semplice strumento che quantifica i potenziali risparmi energetici degli edifici per uffici che utilizzano dispositivi di protezione solare in tessuto. È stato sviluppato dall’associazione francese dei produttori e degli installatori di tende e persiane (SNFPSA) per valutare il risparmio energetico potenzialmente realizzabile negli edifici attraverso le protezioni solari tessili. Il software confronta il fabbisogno energetico di un locale senza tende con la stessa stanza dotata di protezione solare tessile.

L’utente sceglie: la zona climatica, l’orientamento della facciata, la superficie di vetro della stanza, il tipo di vetro, il posizionamento cieco (interna o esterna), il tipo di tessuto, i colori dei tessuti.

Dopo aver impostato la configurazione, Textinergie ha due livelli di risultato: semplificato, fornisce la percentuale di risparmio energetico legato alla climatizzazione, riscaldamento e illuminazione (aria condizionata + riscaldamento + luce artificiale); dettagliato con la temperatura calcolata (° C); esigenze (kWh) di energia e percentuale di risparmio per ogni posizione (aria condizionata, riscaldamento e illuminazione); comfort luminoso (lux). I calcoli sono stati effettuati utilizzando un software di simulazione dinamica per un anno intero, con un intervallo di tempo di cinque minuti. Sono state eseguite le simulazioni e i risultati sono stati inseriti in un database. Le selezioni dell’utente attingono direttamente da questo database. Esso consente una stima dell’impatto dei vari parametri e di aiutare l’utente nella scelta della soluzione tecnica ottimale.

Light & Energy è un software olandese che consente di visualizzare le misurazioni dettagliate di comfort vi-

sivo e climatizzazione. E’ un sistema molto flessibile, in cui è possibile, a seconda delle esigenze di temperatura interna e comfort visivo per stagione, valutare l’impatto delle schermature all’interno degli ambienti e definire il comfort visivo. Lo strumento utilizza un modello 3d per le schermature per mostrare la quantità di ombre prodotta dalla schermatura verso l’interno, secondo la bassa ed alta posizione del sole in inverno e in estate. __________________________________________ Riferimenti: [1] Commissione Europea, “Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) Compliance Study, Specific Contract No. MOVE/ENER/SRD.1/2012-409- Lot3/ ENER/C3/2014-542/S12.701648 , www.ec.europa. eu, 2015 [2] European Solar Shading Organization, “ Schermature solari per edifici a basso consumo energetico”, www.assites.it, 2012 [3] A.Ursini Casalena, “Introduzione alle Schermature Solari come Strategia di Raffrescamento e Riscaldamento Passivo”, www.mygreenbuildings.org , 10/03/2013 [4] A.Premier, Superfici dinamiche, FrancoAngeli, Milano, 2012 [5] E.Naboni, “L’uso di diagrammi solari per il progetto dell’ombreggiamento”, Tenda In & Out, 2014 GASPARINI KATIA Architetto, PhD, si laurea presso l’Università Iuav di Venezia e consegue il dottorato di ricerca presso l’Università degli Studi di Ferrara.

L’attività di ricerca e professionale si sviluppano sui temi e progetti per la qualità ambientale, l’impiego di tecnologie cromatiche e luminose per la valorizzazione dell’ambiente costruito, innovazione per le facciate adattive e l’involucro avanzato (smart materials e technology).

Ha svolto attività di docenza in ambito nazionale per l’Università Iuav di Venezia e il Politecnico di Milano.

Invited lecturer presso istituzioni e università internazionali, ha partecipato in qualità di docente e relatore a conferenze, seminari e workshop internazionali e nazionali. Autrice e curatrice di 100 pubblicazioni nazionali e internazionali. Fondatrice e project manager per il Centro di Ricerca Eterotopie – Colore, luce e comunicazione in Architettura.

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