Ai fini di comprendere la qualità  del comfort ambientale che si determinerà  in uno specifico ambito, operazione complessa ma che rientra nelle piazze moderne strategie e metodologie della progettazione ambientale, risulta utile elaborare uno specifico bilancio energetico. Attraverso tali metodologie di supporto alla progettazione ambientale  possibile ad esempio ottenere informazioni circa le specifiche caratteristiche microclimatiche che si andranno a determinare (se applicate in riferimento al progetto) in uno spazio urbano, in una piazza, in un ambito di un parco, in un qualsiasi spazio aperto progettato.
Nella formalizzazione di un bilancio energetico-radiativo di una porzione di superficie terrestre, occorrerà considerare radiazioni ad onda corta, provenienti dal sole (radiazione diretta, diffusa e riflessa; vedere anche l’articolo. La valutazione della radiazione solare in arrivo per la progettazione bioclimatica, e radiazioni ad onda lunga, che costituiscono l’energia riemessa dalle superfici riceventi sotto forma di radiazione termica. Dovrà essere altresì considerata l’energia emessa dal vapore acqueo, anidride carbonica ed ozono presenti nell’atmosfera, sostanze che assorbono (come specificato trattando della radiazione diretta) la radiazione solare ad onde corte riemettendola, appunto, sotto forma di radiazione termica.
Per un bilancio radiativo avremo quindi:

R = Sdir + Sdiff + Ea – Srif – Es
dove:
Sdir – Radiazione solare diretta; onde corte
Sdiff – Radiazione solare diffusa; onde corte
Srif – Radiazione solare riflessa; onde corte
Es – Reirraggiamento da parte della superficie terrestre; onde lunghe
Ea – Reirraggiamento atmosferico (detto econtroradiazione, in quanto va in una certa misura a bilanciare l’energia riemessa dalle superfici); onde lunghe.
rappresenta quindi il bilancio netto tra i flussi radiativi che interagiscono con la superficie terrestre, applicabile anche a contesti specifici, per indagare ad esempio sulle qualità  microclimatiche di un sito.

In caso di un bilancio radiativo positivo si avrà  una situazione di flusso radiativo in entrata maggiore di quello in uscita, e quindi un carico energetico della superficie considerata. Un valore negativo di “R” indicherà invece un flusso radiativo in uscita maggiore, situazione che può ad esempio verificarsi nei periodi tardo pomeridiani o serali.

Tale equazione di bilancio energetico può essere applicata, in rapporto a specifici spazi ed ambienti, nonché in riferimento a specifici periodi, per cercare di comprenderne il comportamento ambientale in termini microclimatici. Risulta possibile operare specifiche scelte progettuali sulla base delle equazioni di bilancio energetico-radiativo: ad esempio può essere aumentata o diminuita la quantità di radiazione solare riflessa (Srif) attraverso l’utilizzazione di materiali caratterizzati da un coefficiente di riflessione più o meno elevato (ad esempio nelle pavimentazioni), facendo variare a piacimento, per quanto ovviamente possibile, il termine “R” che rappresenta il bilancio tra i differenti flussi radiativi.

Domenico D’Olimpio

Domenico D’Olimpio enviroment; 2001

Ai fini di progettare edifici ecoefficienti, in grado di utilizzare i flussi ambientali esterni, con particolare riferimento al soleggiamento ed alla ventilazione, per autodeterminare nei propri spazi interni delle condizioni ambientali che si discostino il meno possibile da ottimali condizioni di comfort ambientale, minimizzando la dipendenza dai sistemi impiantistici, risulta importante saper comprendere la dinamica solare e valutarne le caratteristiche. Ci risulta utile ai fini si conoscere, ad esempio, la quantità di radiazione solare che inciderà sulle facciate degli edifici di progetto, in grado di riscaldare l’involucro edilizio e di interagire direttamente con lo spazio abitato entrando in ambiente dalle aperture vetrate, dando quindi luogo ad un carico termico interno, utile in fase invernale, da limitare in fase estiva.
Il flusso energetico solare può essere qualificato come flusso radiativo per unità di superficie, ed espresso in W/mq oppure in cal/cmq/min o Kcal/mq/h.
Il quantitativo di radiazione solare extra-atmosferico si mantiene costante nell’arco dell’anno, subendo variazioni minime (dell’ordine del più o meno 3,3%) in funzione del variare della distanza Terra-Sole (mediamente pari a circa 150 milioni di chilometri), e può essere espresso attraverso il valore di 1353 W/mq, rappresentativo quindi dell’intensità energetica del flusso radiativo solare incidente su un’unità di superficie disposta perpendicolarmente ai raggi.
In quanto costante, tale valore energetico viene anche comunemente denominato come “costante solare”.
La radiazione solare globalmente incidente sulla superficie terrestre può essere, in funzione delle formulazione di un bilancio radiativo, suddivisa in tre componenti:

• Radiazione solare diretta (Sdir)

• Radiazione solare diffusa (Sdiff)

• Radiazione solare riflessa (Srif)

La radiazione solare diretta (Sdir) fa riferimento a quella quantità di flusso radiativo che raggiunge direttamente una superficie dopo aver attraversato l’atmosfera e quindi dopo aver subito fenomeni di “diffusione” ad opera delle nubi, delle polveri atmosferiche e delle particelle di vapore acqueo, nonché fenomeni di assorbimento ad opera dei gas della ionosfera, dell’ozono, del vapore acqueo e dell’anidride carbonica. La diminuzione del potere calorifico da parte della radiazione solare diretta, che consegue a questa dinamica, è tanto maggiore quanto più è spesso lo strato atmosferico che i raggi solari attraversano e, quindi, tanto è maggiore la loro obliquità.

La radiazione solare diffusa è invece una componente radiativa relativa a quella quantità di radiazione solare che pur essendo “intercettata” negli strati atmosferici dalle particelle di vapore acqueo, dalle nubi, giunge ugualmente sulla superficie terrestre sotto forma di radiazione “diffusa” proveniente dal cielo. In condizioni normali, ossia in caso di cielo sereno, la radiazione diffusa dipende sostanzialmente dalla quantità di vapore acqueo presente nell’atmosfera e non supera il 14% della radiazione solare diretta, valore che alle medie latitudini, ed al livello del mare, si raggiunge di norma e con maggiore frequenza nel mese di luglio. I valori minimi di radiazione diffusa in condizioni di cielo sereno si hanno invece (sempre in riferimento alle latitudini medie, come quelle che caratterizzano ad esempio la fascia mediterranea) nei mesi di novembre, dicembre, gennaio e febbraio, durante i quali di norma, la quantità di radiazione diffusa è circa il 6% della radiazione diretta.
In presenza di foschia e nubi la radiazione diffusa aumenta, mentre quella diretta diminuisce, fino ad essere totalmente sostituita da quella diffusa nelle situazioni di cielo densamente ed uniformemente coperto da spesse coltri di nubi.

La radiazione solare riflessa assume invece due diversi aspetti a seconda che la si consideri in riferimento al bilancio radiativo sulla superficie terrestre o in relazione ad un contesto più specifico, come un agglomerato di edifici, un singolo manufatto edilizio o un corpo qualsivoglia.
In relazione al bilancio radiativo della superficie terrestre la quantità di energia radiativa riflessa provoca una detrazione di uno specifico quantitativo energetico sul bilancio, in quanto viene rinviata in ambiente una quota-parte della radiazione incidente in funzione delle caratteristiche di riflessione delle superfici di impatto.
In riferimento invece ad uno specifico contesto, come quello costituito ad esempio da un singolo organismo edilizio, la riflessione della radiazione solare ad opera del suolo, nell’immediato intorno ambientale dell’edificio, può indurre un incremento della quantità di energia solare che investe le superfici edilizie, in quanto alle quantità di radiazione diretta e diffusa che investono il manufatto edilizio considerato si va a sommare anche la quantità radiativa che viene riflessa dal suolo (e/o dagli elementi circostanti) verso lo stesso edificio.

Le caratteristiche di riflessione delle superfici variano in relazione agli specifici caratteri fisico-costitutivi del terreno (o delle superfici considerate) e sono valutate attraverso il cosiddetto valore (o coefficiente) di albedo, che esprime in termini di coefficiente o in percentuale, il rapporto tra la quantità di energia riflessa nello spazio da una superficie e l’energia totale incidente. Il valore di albedo è estremamente variabile in relazione alle diversità di costituzione fisica delle superfici. Ad esempio un suolo ricoperto da neve fresca ha un valore medio di albedo compreso tra 80 e 85%, mentre per un prato d’erba la percentuale può variare dal 3 al 35% circa.

Attualmente vi sono formule e software che consentono di valutare le tre componenti radiative che determinano la radiazione solare globalmente incidente, consentendo di orientarsi nelle scelte progettuali, da quelle relative all’organizzazione ed alla disposizione degli edifici a quelle più specifiche relative alle caratteristiche tipo-morfologiche e fisico-costitutive di edifici e spazi intermedi.

Riferimenti Bibliografici: “La Progettazione del Microclima Urbano”, Domenico D’Olimpio, Edizioni Kappa, Roma, 2008

Domenico D’Olimpio

Fig. 1 “Studio del funzionamento ambientale degli spazi aperti nel complesso edilizio Offices and Housing, Potsdamer Platz”, Berlino; Richard Rogers and Partnership, 1992

Le caratteristiche dispositive ed organizzative dell’edificato dovrebbero inoltre consentire una efficace ventilazione urbana durante il periodo estivo, importante per l’annullamento dell’anomalia termica positiva dovuta all’isola di calore urbana che può risultare ambientalmente utile nel periodo invernale ed essere favorita ai fini di ottenere temperature urbane maggiormente elevate, ma deve essere opportunamente controllata nella stagione estiva. Risulta quindi fondamentale disporre i fronti edilizi in maniera tale da non generare ambiti particolarmente protetti rispetto le direzioni di vento prevalente estivo (situazioni estese di ombra di vento, effetto barriera, ecc,) ma favorire tutte quelle fenomenologie aerodinamiche con effetti in grado di aumentare l’entità dei flussi di vento in ambito urbano (effetto “Venturi”, effetto canale, ecc.).
Se opportunamente pianificato, un modello urbano ad alta densità edilizia, può essere funzionale ad obiettivi di sviluppo urbano sostenibile ed al raggiungimento di specifici obiettivi di comfort e qualità ambientale nei contesti urbani. Gli effetti positivi del suo “funzionamento” si delineano infatti attraverso più livelli (risparmio energetico, minore inquinamento dovuto alle minori necessità di spostamenti veicolari, uso sostenibile del suolo, ecc.), non ultimo quello relativo alla qualità ambientale dello spazio urbano, purché siano seguite opportune strategie e metodologie tecnico-progettuali.

(Per un approfondimento della tematica vedere anche gli articoli “Il comportamento bioclimatico dei modelli urbani ad alta densità”; “Sviluppo sostenibile e struttura urbana: il modello insediativo a bassa densità”;”Alta densità urbana, vegetazione ed ecologia del comfort ambientale”; “Caratteristiche di funzionamento e di efficienza ambientale dei modelli di città diffusa”; “Sviluppo sostenibile e struttura urbana: il modello insediativo a bassa densità”; “Il funzionamento urbano e ambientale dei centri storici come modello di città”; “Il modello urbano ad alta densità: Generalità funzionali e strutturali della città compatta”).

Domenico D’Olimpio

Fig. 1 Ludwig Hilberseimer, “Città Verticale”, prospettiva asse nord-sud ed asse est-ovest, 1924

La “città compatta” oltre a poter condurre ad una riscoperta dei vantaggi sociali dati dalla vicinanza tra cittadini e funzioni, può portare su una adeguata strada di sostenibilità urbana in conseguenza dei notevoli vantaggi, dal punto di vista funzionale, energetico e quindi ecologico, che comporta. Attraverso una pianificazione integrata è possibile progettare nuclei urbani ad alta densità in funzione di specifici obiettivi quali l’aumento dell’efficienza energetica, la riduzione del consumo di risorse, la riduzione delle emissioni inquinanti, il controllo dell’espansione urbana nei territori rurali circostanti.
Conseguenza fondamentale della sovrapposizione funzionale è la potenzialmente forte riduzione della necessità di spostamenti veicolari. Il cittadino ha la possibilità di poter prescindere dall’uso dell’automobile. Nell’economia del funzionamento e della “qualità urbana”, l’automobile ha assunto un peso rilevante e preponderante che si estende anche ai criteri di pianificazione e progettazione urbana. E’ proprio in funzione della possibilità di usare l’automobile che è divenuto possibile pensare ed organizzare gli ambiti urbani in comparti separati, ognuno caratterizzato da una propria specificità funzionale, isolando attività differenti e quindi uffici, negozi, case. L’automobile ha pesantemente influenzato, negativamente, la coesione della struttura sociale delle città.
Il proliferare di tale mezzo di trasporto, ed il suo uso indiscriminato, svolgono un ruolo fondamentale nell’attuale situazione di degrado delle qualità degli spazi pubblici. Come l’ascensore ha consentito l’estensione in verticale degli edifici, permettendo la realizzazione dei grattacieli, l’automobile ha reso possibile il frazionamento delle funzioni e delle attività urbane in settori anche distanti l’uno dall’altro, sostenendo e rendendo funzionalmente possibile il dilagare dei nuclei suburbani e l’espansione incontrollata in ambiti distanti dal centro urbano.
I “costi nascosti” dei modelli urbani a zone sono oggi accertati e riconosciuti. Valutazioni e stime effettuati negli Stati Uniti indicano per questo Paese uno spreco di circa 150 miliardi di dollari l’anno sotto forma di dissipazioni energetiche e tempo perduto a causa della cronica congestione del traffico veicolare. In tali costi non sono oltretutto inclusi i costi sociali tra i quali, quello relativo alla salute, è stato stimato in altri 300 miliardi di dollari l’anno, (2) ed i costi ambientali relativi alle sensibili alterazioni microclimatiche di livello locale e macroclimatiche su scala globale.
In una situazione, quale quella attuale, caratterizzata dalle importanti conseguenze ambientali del traffico veicolare, legate ai circa 2 milioni di miliardi di metri cubi di fumi tossici prodotti attualmente, complessivamente, dai motori degli autoveicoli, occorre ripensare l’organizzazione strutturale urbana, definendo impostazioni funzionali ed organizzative in grado di poter minimizzare l’so dell’automobile e ridurre sensibilmente il traffico veicolare.
Il modello di “città compatta” può rispondere efficacemente a questi obiettivi, favorendo tra l’altro lo sviluppo di sistemi di trasporto pubblici meno inquinanti (trasporti su rotaie, ecc.) e riequilibrando le funzioni legate alla mobilità e quindi al traffico in favore dello sviluppo di reti e aree pedonali, con funzioni socialmente importanti nell’economia della vita urbana.

(Per un approfondimento della tematica vedere anche gli articoli “Sviluppo sostenibile e struttura urbana: il modello insediativo a bassa densità”; “Alta densità urbana ed uso sostenibile del suolo”; “Alta densità urbana, vegetazione ed ecologia del comfort ambientale”; “Caratteristiche di funzionamento e di efficienza ambientale dei modelli di città diffusa”; “Sviluppo sostenibile e struttura urbana: il modello insediativo a bassa densità”; “Il funzionamento urbano e ambientale dei centri storici come modello di città”: “Il modello urbano ad alta densità: Generalità funzionali e strutturali della città compatta”; “Il comportamento bioclimatico dei modelli urbani ad alta densità”).

(1) Città per un piccolo pianeta”, Richard Rogers; ed. it. Erid’A/Kappa, 1997; pag. 30.
(2) stima del World Research Institute; WRI

Domenico D’Olimpio

Fig.1 Cella solare a multi-giunzione realizzata all’Institut d’Electronique du Sud (IES) nell’ambito del programma FORCO-PV (Alta concentrazione per la conversione fotovoltaica dell’energia solare).
Immagine tratta dal sito www.lascienzainrete.it

In Italia il CESI (Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano) ha sin dal 2005 avviato ricerche per la realizzazione di celle solari a multigiunzione (1) per applicazioni in concentrazione terrestre fino a fattori di concentrazione pari a valori di 1000x e realizzate mediante epitassia(2) in fase vapore con gas precursori metallorganici, su substrati di germanio (Ge) e di silicio/germanio (SiGe) di nuova concezione.
L’efficienza di conversione di tali celle risulta superiore al 30%. Gli aspetti positivi di queste celle solari, oltre naturalmente a quello rappresentato dall’elevata efficienza di conversione, sono quelli correlati ad una significativa riduzione del costo dell’impianto fotovoltaico per watt generato, che si attua già con valori di concentrazione solare pari a 300x, e del superamento della problematica connessa al reperimento delle materie prime necessarie per la realizzazione dei tradizionali moduli fotovoltaici (silicio cristallino).
Tale tecnologia nasce come evoluzione delle tecnologie di produzione delle celle solari utilizzate nell’industria spaziale. CESI ha formalizzato celle solari a singola (InGaP/Ge e GaAs/Ge) ed a tripla giunzione (InGaP/InGaAs/Ge). Il costo stimato per la realizzazione delle celle solari a tripla giunzione è pari a circa 6-8 euro/cmq(3) con l’utilizzazione di substrati di germanio e di circa 5 euro/cmq con l’utilizzazione di substrati di SiGe.
Sono attesi ulteriori sviluppi tecnologici in grado di consentire l’immissione sul mercato, a prezzi competitivi, di moduli fotovoltaici realizzati con celle a multigiunzione. Il raggiungimento di efficienze di conversione dell’ordine del 30%, pari quindi a circa il doppio degli attuali coefficienti, può costituire una ulteriore ed importante spinta nell’utilizzazione dei sistemi e delle tecnologie fotovoltaiche.

(1) Realizzazione di celle solari a multigiunzione con efficienza prossima al 30% in condizioni AM 1.5, utilizzando il nuovo reattore epitassiale CESI; R.Campesato, M.Casale, G.Gabetta(CESI); 12/07/2005
(2) Con il termine epitassia si definisce la deposizione di sottili strati di materiale cristallino su un substrato massivo, anch’esso cristallino, che ne indirizza la crescita e ne determina le proprietà strutturali.
(3) Valori riferiti al periodo della ricerca, ovvero a luglio 2005

Domenico D’olimpio

- Raggiungimento di alte efficienze di conversione (fino a circa il 20% )
- Processo di fabbricazione a basso consumo di energia in quanto caratterizzato da una temperatura relativamente bassa
- Compatibilità del processo con wafer di silicio caratterizzati da costo limitato.
- Processo produttivo caratterizzato da tempi complessivi di produzione relativamente bassi in funzione del limitato numero di stadi di lavorazione.
- Durata in esercizio stimabile in 25-30 anni.

A livello di procedimento tecnologico la fabbricazione di una giunzione su silicio cristallino a bassa temperatura è possibile utilizzando i processi di deposizione chimica da vapore (Chemical Vapor Deposition o CVD) già largamente utilizzata in differenti settori tecnologici. In sintesi, la formazione della giunzione avviene attraverso la deposizione di uno strato di silicio per dissociazione del gas precursore, con la temperatura del substrato che può restare su valori relativamente bassi, di poco superiori ai 100°C. Altre fasi del procedimento consistono nel trattamento iniziale antiriflettente della superficie, nella formazione dei contatti sul retro e sul fronte del dispositivo, nella deposizione di un ulteriore strato antiriflettente sul fronte di quest’ultimo.

Differenti sono le aziende che hanno brevettato specifiche tecnologie di produzione di celle fotovoltaiche in eterogiunzione. La “Sanyo” ad esempio ha il brevetto della tecnologia HIT “Heterojunction with Intrinsic Thin layer” (eterogiunzione con film sottile intrinseco).
Le celle HIT risultano costituite da due strati ultra sottili di silicio amorfo con intercluso uno strato di silicio monocristallino. Tra wafer e silicio amorfo, su entrambi i lati, viene steso uno strato intrinseco di silicio amorfo non drogato(1), definito “i”, mentre gli strati esterni del silicio amorfo risultano essere di tipo “p” (strato a carica positiva drogato) e di tipo “n” (strato a carica positiva drogato).
La giunzione p-n (2) in questo caso si realizza tra il wafer di silicio tipo “n” e lo strato di silicio amorfo tipo “p” (vedere fig.1), e non all’interno del wafer di silicio cristallino come avviene nelle comuni celle cristalline.

Fig.1 Schematizzazione della costituzione fisica di una cella solare realizzata con tecnologia HIT (immagine tratta dal sito www.as-italia.com)

I moduli fotovoltaici costituiti da celle realizzate in eterogiunzione sono caratterizzati da coefficienti di conversione dell’ordine del 17% circa, superiori mediamente di 3-5 punti percentuali rispetto i tradizionali pannelli FV in silicio cristallino. Risultano inoltre in grado di assicurare una elevata efficienza anche in condizioni di alta temperatura della cella (forte insolazione del modulo) e sono caratterizzati da una apprezzabile produzione energetica anche in condizioni di luce diffusa o scarsa.
Attualmente il loro costo risulta più elevato rispetto i moduli FV tradizionali, ma occorre evidenziare che il loro maggior rendimento e quindi la maggiore producibilità energetica, determinano un sostanziale pareggio del rapporto costi/benefici rispetto gli altri pannelli FV. Un aspetto vantaggioso rispetto gli impianti realizzati con i tradizionali moduli FV è rappresentato dalla possibilità di impegnare, a parità di potenza installata, una minore superficie, consentendo quindi la realizzazione di impianti di una certa potenza e producibilità energetica anche in condizioni di insufficiente (relativamente all’installazione di impianti con moduli in normale silicio cristallino) superficie disponibile. A parità di potenza installata rispetto un tradizionale impianto FV, anche la dimensione dell’impianto stesso risulta più contenuta, con vantaggi in termini gestionali, di manutenzione e di controllo.

(1) Il termine drogaggio, nell’ambito dei materiali semiconduttori, definisce l’operazione di aggiunta, al materiale semiconduttore, di piccole percentuali di atomi di altri materiali (es. boro, fosoforo) allo scopo di modificare le proprietà elettriche del materiale.
(2) Attraverso il drogaggio si realizza uno strato di materiale a carica positiva, detto “p” ed uno strato a carica negativa, detto “n”; la giunzione tra i due strati è denominata giunzione p-n ed è fondamentale nel determinare un campo elettrico all’interno della cella e quindi poter sfruttare l’elettricità.

Domenico D’Olimpio

- Soffitti radianti con pannelli metallici, tubazioni e serpentine metalliche, diffusori termici;
- Soffitti radianti con pannelli in cartongesso, tubazioni e serpentine in materiale plastico di diametro ridotto.

Nell’ambito della prima tipologia possono essere previsti pannelli in acciaio o alluminio e tubazioni preferibilmente in rame. La seconda tipologia prevede spesso lastre di gesso rivestito nelle quali è già integrato il circuito capillare costituito generalmente da tubi in PVB.
Le rese termiche dei diversi pannelli devono essere espresse a seguito di specifici test di laboratorio effettuati presso istituti accreditati e riconosciuti internazionalmente. Queste vengono dichiarate in termini di W/mq, dove il valore è riferito alla cosiddetta superficie attiva del pannello. Nei casi di impianto costituito da pannelli metallici, la superficie attiva del pannello viene calcolata attraverso il prodotto di tre fattori fondamentali: il numero dei profili conduttori, il loro interasse e la loro lunghezza. In tali casi la superficie attiva non corrisponde all’intera superficie del pannello: in percentuale, il cosiddetto coefficiente di attivazione o di occupazione del pannello è sempre inferiore al 100%. Nel caso dei pannelli in cartongesso o similari, con integrato un circuito capillare di tubazioni in materiale plastico, la superficie attiva può invece anche essere pari al 100% della superficie del pannello.

Fig 1 “ Particolare di un pannello attivato con materiale fonoassorbente (TNT) di colore nero”.
A Pannello metallico
B Profilo conduttore
C Serpentina in rame

Immagine e testo didascalico tratti da RCI (riscaldamento-climatizzazione-idronica) n.4/2009; articolo “Misurazione delle potenze nei soffitti radianti”, di Gianluca Lullo

Nei casi in cui la superficie attiva si discosti dalla superficie complessiva del pannello è fondamentale distinguere tra resa termica nominale del pannello (relativa alla specifica superficie attiva) e resa termica del pannello complessivo. In tal caso la resa termica complessiva va calcolata moltiplicando la resa termica nominale, indicata nel certificato del pannello, per il coefficiente di occupazione del pannello (es. coeff. di occupazione pari all’85% con pannello caratterizzato da resa termica nominale pari a 70 W/mq, si avrà: 70 x 0,85 = 59,5 W/mq come valore della resa termica dell’intero pannello).
Occorre inoltre porre in evidenza che anche la presenza di eventuali materiali isolanti termo-acustici posti a ridosso della superficie del soffitto può determinare diverse rese termo-frigorifere del sistema. Così come lo specifico collegamento, nel caso dei pannelli metallici, tra il profilo conduttore ed il pannello metallico.
Particolare attenzione occorrerà porre pertanto, nella fase di progettazione, ai dati tecnici espressi dai certificati che accompagnano questi prodotti, in ragione dell’estrema delicatezza che riveste, nella realizzazione dei sistemi di climatizzazione a soffitto radiante, la fase di progettazione e dimensionamento dell’impianto.

Domenico D’Olimpio

Ai sistemi di climatizzazione a soffitto radiante sono riconosciute ottime prestazioni, in termini di efficienza energetica e comfort ambientale, con riferimento particolare alle esigenze di comfort e raffrescamento ambientale connesse al periodo estivo. Infatti, se in rapporto al funzionamento come sistema di climatizzazione invernale i sistemi a pavimento radiante evidenziano le migliori prestazioni in relazione alle condizioni di comfort ambientale che si vanno a determinare(1), in rapporto al funzionamento in fase estiva le prestazioni di un sistema a soffitto radiante possono essere giudicate migliori se paragonate a quelle offerte da altri sistemi di climatizzazione estiva, radianti e non.
Certamente i climatizzazione estiva a soffitto radiante richiamano i progettisti ad una più attenta progettazione, basata su una accurata valutazione dei carichi termici interni ed un assolutamente preciso dimensionamento del sistema. E’ fondamentale per il progettista una esatta comprensione dell’entità delle rese frigorifere richieste al sistema per poter poi operare scelte appropriate anche in relazione alle differenti tipologie di prodotti offerti dal mercato. I rischi correlati ad una imprecisa ed approssimativa progettazione di questi impianti sono infatti quelli di avere un impianto inadeguato alle esigenze estive in questione, sottodimensionato e, per sua stessa natura, difficilmente regolabile, una volta costruito, su esigenze energetiche differenti da quelle specifiche per le quali il sistema era stato originariamente definito. Un ulteriore rischio è quello connesso alla formazione di condensa all’intradosso del soffitto, che può determinare formazione di macchie di umidità, deterioramento del materiale costitutivo dei pannelli, fino a vere e proprie problematiche di gocciolamento dal soffitto.
Una volta ben progettato e dimensionato tuttavia, un sistema di climatizzazione a soffitto assicura in fase estiva un notevole risparmio energetico, conseguente al basso salto termico tra la temperatura di mandata e quella di ritorno (pari a circa 16/18-19°C, con un salto termico di circa 2-3°C), nonché tra la temperatura richiesta in ambiente (es. 25°C) e quella di esercizio (T pari a circa 8-10°C). In termini di comfort ambientale si ottengono delle condizioni di buon comfort ambientale in conseguenza dello scambio termico ottimale, per irraggiamento, che si instaura tra il corpo umano (che per sua natura scambia una maggiore quantità di calore con l’ambiente proprio per irraggiamento) e le superfici fredde del soffitto. La distribuzione del “freddo” in ambiente risulta maggiormente omogenea rispetto a quella determinata con altri sistemi di climatizzazione estiva poiché il raffreddamento dell’aria avviene nello strato d’aria superiore, a contatto con il soffitto: l’aria raffreddata discende verso il basso lasciando il posto all’aria più calda che tende a salire verso l’alto, determinando un razionale, omogeneo ed efficace raffrescamento dell’ambiente. Vi è una totale assenza di tutti quegli sgradevoli effetti di correnti d’aria fredde artificiali, spifferi freddi, che investono il corpo umano e che contraddistinguono di sovente i sistemi di condizionamento ad aria, spesso caratterizzati anche da una circolazione notevole di agenti inquinanti di differente natura all’interno degli ambienti, con un abbassamento del livello di qualità dell’aria indoor. Non è inoltre da sottovalutare il migliore comfort acustico, rispetto altri sistemi di climatizzazione ambientale: l’assenza di parti meccaniche in movimento (alette per la distribuzione dell’aria, ventilatori, ecc.) fa si che il sistema sia assolutamente silenzioso durante il suo funzionamento; inoltre alla superficie del soffitto radiante può essere demandata, attraverso specifiche scelte di materiali, una specifica funzione di assorbimento acustico. Tra gli aspetti vantaggiosi di tali sistemi, non ultimo risulta quello legato alle ridotte attività di manutenzione, con particolare riferimento a tutte quelle operazioni che caratterizzano i tradizionali sistemi di climatizzazione estiva: nessuna operazione di pulizia dei filtri, di svuotamento dei serbatoi o delle bacinelle per la raccolta dell’acqua di condensa, ecc.
Il principale aspetto negativo dei sistemi a soffitto radiante è costituito dalla minore possibilità di fronteggiare condizioni ambientali particolarmente gravose ed impegnative: in condizioni di temperatura dell’aria in ambiente molto elevata, superiore a quella in funzione della quale è stato dimensionato il sistema, è difficoltoso regolare l’impianto poiché comunque la temperatura di esercizio non potrà scendere al di sotto di determinati valori (le temperature di esercizio minime dipendono dalle specifiche condizioni di umidità dell’aria, in linea di massima e mediamente risulta tuttavia problematico scendere al di sotto di un livello di temperatura di 15°C.).
Da tenere ben presente il fatto che i sistemi a soffitto radiante sono preposti al controllo della temperatura ambiente e quindi del carico termico sensibile, mentre per il controllo, peraltro necessario, del carico termico latente (ovvero per il controllo delle condizioni dell’umidità relativa dell’aria in ambiente) sarà comunque necessario affidarsi ad un impianto di ricambio d’aria con immissione di aria primaria in ambiente. Tale impianto potrà anche essere funzionale alle esigenze connesse ad un ottimale ricambio e rinnovo dell’aria, in maniera tale da garantire costantemente l’igiene e la salubrità dell’aria nell’ambiente stesso.
Concludendo, visti gli innegabili vantaggi relativi al funzionamento in fase di raffreddamento del sistema a soffitto radiante, a fronte di specifici comportamenti non ottimali relativi al funzionamento in fase di riscaldamento(1), occorre precisare che la scelta verso tale tipologia di sistema dovrebbe essere dettata, oltre che da ragioni tecniche costruttive (es. maggiore economicità e rapidità di realizzazione connesse all’assenza di interventi di demolizione degli strati superficiale e di finitura di pavimenti e pareti, necessari per l’installazione di pareti e/o pavimenti radianti), da motivi di prevalenza della problematica del comfort estivo rispetto quella invernale (specificità delle condizioni climatiche; oppure destinazioni d’uso per le quali il carico termico in ambiente risulta molto elevato in ragione dell’affollamento, dell’uso importante di dispositivi di illuminazione, di macchine, ecc.(2). Nel caso invece di nuove costruzioni con destinazione d’uso quali ad esempio quella residenziale, alle medie ed alte latitudini, la prevalenza della problematica estiva rispetto quella invernale non risulta così rilevante da suggerire l’adozione della climatizzazione a soffitto radiante: i vantaggi in fase estiva sarebbero poi inevitabilmente controbilanciati da un non ottimale comportamento del sistema in fase invernale.

(1) Vedere gli articoli “la climatizzazione radiante. Pavimento, soffitto o parete radiante?” e “Tipologie impiantistiche a confronto: pavimento e soffitto radianti” del marzo 2010

(2) In particolare gli uffici affollati si prestano ad una conveniente utilizzazione del sistema in quanto le loro esigenze termiche invernali risultano ridotte in rapporto all’elevato indice di affollamento ed alla presenza di lampade, computer, ecc., mentre, al contrario, risultano particolarmente importanti, per gli stessi motivi, le esigenze di climatizzazione estiva.

Domenico D’Olimpio

Sistemi a pavimento radiante. In sintesi, per quanto è possibile trattare la tematica nell’ambito di un articolo, si può evidenziare che l’uso di ampie superficie radianti consente di diminuire la temperatura di esercizio (al contrario di quanto avviene per i corpi scaldanti quali ad esempio i classici radiatori ad acqua, che per poter erogare la quantità di calore necessaria devono, vista la loro ridotta dimensione e superficie di scambio termico, necessariamente funzionare ad alta temperatura): in riscaldamento si possono mantenere temperature di funzionamento comprese tra i 30 ed i 35 °C, mentre in raffreddamento le temperature possono essere di circa 16-19°C.

Ciò risulta funzionale sia agli obiettivi di risparmio energetico che agli obiettivi di comfort ambientale. E’ evidente che la presenza di arredi, quali poltrone, divani, letti, ecc., può interferire sullo scambio termico radiativo tra corpo umano e superficie radiante, tuttavia l’andamento della temperatura in ambiente non subisce, in funzione degli arredi, discostamenti evidenti dalla curva di temperatura tipica del sistema. Tale curva caratteristica si avvicina di molto alla curva ideale del benessere termico (vedere l’articolo “Il condizionamento radiativo. Pavimento, soffitto o parete radiante?”), consentendo quindi di attuare una ottimale condizione di comfort ambientale termico.
Il pavimento radiante non vincola inoltre in alcun modo l’ambiente: si ha un normale pavimento utilizzabile in qualsivoglia maniera in ogni sua porzione.
In raffrescamento il comfort offerto non risulta invece del tutto ottimale a causa della “produzione di freddo” che avviene al livello del pavimento: l’aria raffreddata non tende a salire e pertanto le caratteristiche della distribuzione della temperatura in ambiente, nel periodo estivo, ne risentono negativamente. Si ha una maggiore sensazione di fresco nello strato più basso, mentre all’aumentare della distanza dal pavimento tende ad aumentare anche la temperatura.

Sistemi a soffitto radiante. Analogamente a quanto avviene con i pavimenti radianti, anche in questo caso l’uso di ampie superfici radianti consente di far riferimento a temperature di esercizio più basse e di giovare di tutti i vantaggi già precedentemente descritti per i sistemi a pavimento. La distribuzione del calore in ambiente non risulta tuttavia ottimale, come dimostra la curva caratteristica della temperatura rapportata alla curva ideale del benessere termico. Non è difficile leggere su siti aziendali ecc., informazioni differenti: ad esempio si usa dire che il riscaldamento a soffitto sarebbe ottimale perchè è un tipo di riscaldamento che simula ciò che avviene in natura. Si dice: “non è forse dall’alto, ovvero dal sole, che arriva il riscaldamento nel nostro ambiente naturale?”. Spesso tale affermazione è fatta da tecnici ed esperti del settore e pertanto appare fondata ed a prima vista assolutamente logica. Però non è così. La temperatura dell’aria sul nostro pianeta è una funzione del re-irraggiamento da parte della superficie terrestre, e quindi è vero l’esatto contrario. Non è un caso che la temperatura diminuisca con l’altitudine (circa 0,6 °C ogni 100 metri di altezza), ciò avviene perchè ci si allontana dalla superficie radiante; non è un caso che i livelli massimi di temperatura non siano registrabili alle ore 12,00 (quando l’intensità della radiazione solare è massima) ma bensì alle ore 14,30-15,00, quando il suolo comincia a riemettere la radiazione termica in maniera consistente dopo averla assorbita. Pertanto il riscaldamento naturale avviene in maniera analoga a quanto accade nei sistemi a pavimento radiante ed in maniera inversa a quanto accade nei sistemi a soffitto radiante, seppure alcune delle aziende che forniscono quest’ultima tecnologia dichiarino a volte il contrario. Spesso al riscaldamento a soffitto vengono associate mappe di temperatura che evidenziano la distribuzione delle temperature sul piano orizzontale, a circa m 1,50 dal pavimento. Ad una analisi di questo tipo il sistema denota caratteristiche ottimali in quanto, come visibile dai grafici delle curve di temperatura caratteristici per ciascun sistema radiante (vedere il citato articolo “Il condizionamento radiativo. Pavimento, soffitto o parete radiante?”) è proprio a questo livello che la curva tipica del sistema interseca la curva ideale di comfort termico. Occorrerebbe però far chiarezza sul fatto che, sia sotto che sopra tale livello, la curva del sistema a soffitto radiante si discosta sensibilmente dalla curva ideale del benessere termico (vedere fig. 1)

Fig.1 “Sovrapposizione della curva dell’andamento della temperatura nei sistemi a riscaldamento radiante a soffitto con la curva ideale di benessere termico”.

Tuttavia per le esigenze di raffrescamento estivo i sistemi a soffitto radiante risultano migliori rispetto quelli a pavimento radiante: vi è un maggiore scambio termico tra il corpo umano e le superfici fredde del soffitto in virtù del fatto che non vi sono oggetti od arredi interposti; vi è la piacevole sensazione di avere la testa fresca; la distribuzione delle temperature in ambiente risulta migliore, rispetto il risultato che si ottiene con i pavimenti radianti, in quanto il “freddo” prodotto in prossimità del soffitto va a raffrescare l’aria calda tendente a stratificare verso l’alto, generando lievi movimenti convettivi caratterizzati dallo spostarsi verso il basso dell’aria raffreddata e quindi più pesante, con il contemporaneo richiamo verso l’alto dell’aria più calda. Tutto ciò consente di ottenere una condizione ambientale estiva maggiormente confortevole rispetto quella che si instaura con l’uso di sistemi di raffrescamento a pavimento radiante.

Fig.2 “ Immagine ripresa con termocamera in un ufficio con raffrescamento radiativo a soffitto (immagine tratta da “Misurazione delle potenze nei soffitti radianti”; in RCI n.4/2009)

L’ideale sarebbe avere un ambiente con un sistema di riscaldamento radiativo a pavimento ed un sistema di raffrescamento radiativo a soffitto. Ciò è ovviamente impraticabile per ragioni tecniche ed economiche: un progettista consapevole della complessità delle problematiche in gioco saprà selezionare la soluzione maggiormente appropriata viste le specifiche esigenze dell’utenza finale, di fruibilità e di utilizzazione degli ambienti, e dopo aver ponderato allo stesso tempo le esigenze tecnico-economiche connesse alla specifica problematica costruttiva e realizzativa.

Domenico D’Olimpio

Fig. 1 Curva ideale del benessere termico in ambiente indoor

Confrontando tale curva con quella caratteristica dei diversi sistemi di riscaldamento, ad esempio, è possibile trarre indicazioni circa le caratteristiche del comfort ambientale che si vanno ad instaurare (in rapporto alle esigenze di climatizzazione invernale). E’ facile verificare che la curva che più si rapporta, come andamento, alla curva ideale del benessere, è quella relativa ai pannelli radianti a pavimento, a seguire la curva propria dei pannelli radianti a parete e poi la curva del riscaldamento a soffitto. E’ possibile verificare, dai grafici, come il riscaldamento a pavimento offra una distribuzione di temperatura omogenea lungo il suo gradiente verticale; l’andamento del primo tratto, dal pavimento fino a circa 50 cm di altezza, risulta simile a quello della curva ideale del benessere, poi la temperatura fa registrare, nella sua stratificazione verso l’alto, una leggera e progressiva diminuzione fino ad un decremento (circa 0,5 -1°C) più repentino in prossimità del soffitto. Questo andamento è senz’altro quello che più si avvicina alla curva ideale del benessere tra le differenti curve di temperatura relative alla climatizzazione radiante analizzate.

Fig.2 Curva di andamento della temperatura nei sistemi a pavimento radiante

Il riscaldamento con parete radiante presenta infatti una curva circa simmetrica, caratterizzata da valori di temperatura più alti in prossimità di pareti e soffitto ed un andamento verticale costante; mentre il riscaldamento con soffitto radiante presenta una curva caratterizzata da valori di temperatura più bassi verso il pavimento e progressivamente crescenti verso l’alto fino a raggiungere il massimo in prossimità del soffitto, con una andamento sostanzialmente inverso rispetto la curva ideale del benessere termico.

Fig.3 Curva di andamento della temperatura nei sistemi a parete radiante

Fig.4 Curva di andamento della temperatura nei sistemi a soffitto radiante

Tali indicazioni possono essere utili per avere un minimo di orientamento nelle scelte impiantistiche, tenendo presente che tali aspetti vanno interrelati anche con quelli tecnico-costruttivi, economici, di fruibilità e di gestione degli spazi, che possono avere un peso differente a seconda delle loro specificità e delle esigenze dell’utenza. Non è consigliabile, ad esempio, smantellare un pavimento esistente ove non specificamente previsto per installare un impianto di riscaldamento a pavimento solo perché questo offre una migliore curva del benessere (un soffitto radiante sarebbe in tal caso molti più economico e di più facile realizzazione), come non è una scelta ottimale quella di installare un sistema di riscaldamento a soffitto in un ambiente costruito ex-novo a meno che non lo si utilizzi anche per il raffrescamento e quest’ultima esigenza sia prevalente rispetto quella della climatizzazione invernale.
In altre parole, ai fini di operare scelte appropriate, occorre tenere presente la molteplicità dei fattori che concorrono a determinare la congruenza della scelta impiantistica con la specifica situazione architettonico-ambientale, tenendo presente i punti fermi oramai assodati (come le curve di andamento delle temperature) ed interrelandoli con gli altri fattori in gioco.

(1) UNI EN 1264-1:1999 – Riscaldamento a pavimento – Impianti e componenti – Definizioni e simboli; UNI EN 1264-2:1999 – Riscaldamento a pavimento – Impianti e componenti – Determinazione della potenza termica; UNI EN 1264-3:1999 – Riscaldamento a pavimento – Impianti e componenti – Dimensionamento
(2) Norme ritirate con sostituzione nel 2009
(3) UNI EN 1264-1,2,3,4,5 :2009
(4) UNI EN 14240:2005 – Ventilazione degli edifici – Soffitti freddi – Prove e valutazione
(5) Norme elaborate dall’ente di normazione tedesco

Domenico D’Olimpio