Migliorare la schermatura solare: spunti dall’analisi termica

Un recente studio pubblicato su edificio Valutazione dell’effetto della schermatura solare su facciate soleggiate mediante termografia a infrarossi (IR) non intrusiva durante l’estate e l’inverno. Questa valutazione pilota della protezione solare su superfici opache prevedeva il monitoraggio delle aree soleggiate e ombreggiate in un edificio di edilizia popolare a Saragozza, in Spagna.

Migliorare la schermatura solare: spunti dall’analisi termica
Fotografia, termografia a infrarossi e gradiente di temperatura (dall’alto verso il basso), in estate. L1, L2 e L3 indicano letture diverse lungo l’interfaccia (vedere l’immagine della termografia a infrarossi). Le linee rosse mostrano la posizione dei fori di ventilazione. Credito immagine: https://www.mdpi.com/2673-8945/4/2/14

sfondo

L’aumento delle temperature dovuto al riscaldamento globale e l’effetto isola di calore urbano rendono necessario migliorare la protezione solare degli edifici in estate senza compromettere i guadagni solari durante l’inverno. La schermatura solare influisce notevolmente sulle prestazioni degli involucri edilizi nelle aree calde con elevata radiazione solare. Oltre a proteggere le finestre dall’intensa luce solare, protegge anche le pareti esterne opache, riducendo il consumo di energia per il raffreddamento.

Il concetto di temperatura dell’aria solare è ampiamente utilizzato per esaminare l’efficienza energetica dei sistemi di facciata verde e ventilata. Tuttavia, il controllo solare dei sistemi costruttivi opachi utilizzati nelle facciate viene raramente verificato utilizzando misurazioni reali. In alternativa, la termografia a infrarossi non distruttiva ha guadagnato un’attenzione significativa per il controllo e la valutazione delle prestazioni termiche degli approcci di efficienza energetica applicati nel settore dell’edilizia.

Metodi

Questo studio è stato condotto sull’edificio sperimentale utilizzato per il progetto LIFE 10 ENV/ES 439 (edificio di edilizia sociale) a Saragozza. Per l’analisi termica è stata scelta la facciata sud per la sua intensa esposizione alla luce solare. Si affacciava su un ampio cortile interno, che ha contribuito a ridurre gli errori di pendenza nelle misurazioni a infrarossi.

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L’involucro dell’edificio è stato aggiornato con un sistema composito di isolamento termico esterno (ETICS) costituito da un isolante in polistirene da 50 mm e uno strato cementizio con finitura di colore chiaro. Inoltre, è stato installato uno schermo continuo di 1,15 metri (realizzato con lamelle in alluminio) per consentire alla radiazione solare di entrare dalle finestre durante l’inverno e bloccarla in estate.

Per un anno (2015) è stata utilizzata una telecamera a infrarossi per monitorare la temperatura nelle zone ombreggiate e soleggiate della facciata durante il giorno in estate e in inverno. Inoltre, nell’edificio è stato installato un sistema di monitoraggio dell’umidità termica con stazione meteorologica e data logger per registrare l’umidità relativa, la temperatura e la velocità del vento durante tutto l’anno.

Successivamente, la temperatura dell’aria solare è stata calcolata dalle misurazioni registrate e dai dati climatici ottenuti dall’agenzia meteorologica statale spagnola (AEMET) presso l’aeroporto della città. Invece delle temperature dell’aria solare comunemente usate, i ricercatori hanno utilizzato le temperature generate dalla termografia a infrarossi per stimare teoricamente l’effetto della protezione solare sul flusso di calore attraverso l’involucro dell’edificio in condizioni stazionarie.

Risultati

La strategia utilizzata per la protezione solare nell’edificio in esame ha influenzato notevolmente la risposta termica della facciata. Ciò ha comportato una differenza di temperatura di 7,4°C in estate e fino a 1,2°C in inverno tra le zone soleggiate e quelle ombreggiate.

In estate, il sistema di ombreggiamento proteggeva l’edificio dalla radiazione solare in entrata attraverso le finestre e dal trasferimento di calore attraverso il muro, riducendone il guadagno termico. Tuttavia, un flusso d’aria convettivo limitato impedisce il raffreddamento delle pareti e riduce il flusso di calore verso l’interno quando la temperatura esterna è inferiore alla temperatura interna. Pertanto, si dovrebbero prendere in considerazione sistemi mobili di protezione solare per consentire un moderato raffreddamento del tetto al crepuscolo.

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In inverno, la protezione solare orizzontale riduce il flusso d’aria convettivo e l’aria intrappolata al di sotto, il che aumenta la temperatura sotto le lamelle rispetto alle aree aperte della facciata. Questa calda bolla d’aria intrappolata riduce i flussi di calore e riduce le differenze di temperatura interna ed esterna. Pertanto, le temperature interne diventano più stabili, il che è utile per alleviare la domanda di carburante per i sistemi di riscaldamento interni.

L’analisi comparativa utilizzando i dati della temperatura dell’aria solare e della superficie effettiva per stimare i flussi di calore ha rivelato un divario significativo. I primi due hanno portato ad un’elevata imprecisione e ad una sovrastima delle prestazioni dell’edificio rispetto al comportamento reale. Ciò è dovuto all’effetto che la temperatura dell’aria è superiore a quella della radiazione solare nel determinare la temperatura dell’aria solare. In alternativa, la termografia a infrarossi ha dimostrato di essere una tecnologia affidabile per verificare le prestazioni delle soluzioni di ombreggiatura.

Conclusione

Nel complesso, il sistema di schermatura solare implementato in questo caso di studio ha contribuito a ridurre la temperatura superficiale in estate e il flusso d’aria convettivo in inverno. Le sue prestazioni sono esaltate dalla diffusione di dense sfumature di materiale antiriflesso nelle aperture di ventilazione. Inoltre, l’uso di colori chiari ha migliorato l’uniformità della superficie in inverno e ridotto l’assorbimento solare in estate.

I calcoli sullo stato stazionario mostrano che l’ombreggiamento può ridurre le perdite di calore fino al 30% nelle notti invernali e del 50-60% nelle giornate estive. Questa analisi, tenendo conto del flusso unidirezionale, presenta limitazioni nei climi con elevate fluttuazioni della temperatura termica. Tuttavia, consente un semplice confronto tra diverse soluzioni di ombreggiatura.

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Le discrepanze nei risultati della simulazione provenienti da diverse fonti di dati possono essere superate rivedendo i tradizionali valori di resistenza della superficie esterna in base a specifiche condizioni climatiche come protezione dal vento, luce solare, materiali urbani, ecc.

In conclusione, l’uso della termografia in questo studio ha aiutato ad analizzare l’effetto di ombreggiamento degli ETICS e la pianificazione urbana sulle prestazioni termiche dell’edificio. Gli autori mirano ad estenderne l’uso a molte situazioni durante tutto l’anno e ad integrarlo con dati climatici reali per simulare le prestazioni dell’edificio.

Riferimento al giornale

Barbero-Barrera, M. del M., Tendero-Caballero, R., & García de Viedma-Santoro, M. (2024). Effetto della schermatura solare sulle temperature superficiali della facciata in condizioni estive e invernali mediante termografia a infrarossi. edificio, 4(2), 221-246. https://doi.org/10.3390/architecture4020014, https://www.mdpi.com/2673-8945/4/2/14

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