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Thesis etd-10292021-092457


Thesis type
Tesi di laurea magistrale LM5
Author
BARDELLI, ALESSIO
URN
etd-10292021-092457
Thesis title
Benefici dei sistemi solari passivi: linee guida per la progettazione architettonica
Department
INGEGNERIA DELL'ENERGIA, DEI SISTEMI, DEL TERRITORIO E DELLE COSTRUZIONI
Course of study
INGEGNERIA EDILE-ARCHITETTURA
Supervisors
relatore Prof. Fantozzi, Fabio
correlatore Prof. Franco, Alessandro
correlatore Ing. Cillari, Giacomo
Keywords
  • performance energetica
  • progettazione architettonica
  • sistemi solari passivi
  • riscaldamento
  • risparmi energetici
  • simulazione parametrica
  • linee guida
  • muro di trombe
  • guadagni diretti
  • serre solari
  • vernici nanotecnologiche
  • nanotech paint
  • sunspaces
  • direct gain
  • trombe wall
  • guidelines
  • heating
  • energy savings
  • parametric simulation
  • energy performances
  • architectural design
  • passive solar systems
Graduation session start date
18/11/2021
Availability
Withheld
Release date
18/11/2091
Summary
Alla base di questo studio vi è una domanda: "Possiamo comporre l'architettura sfruttando meglio l'energia del Sole?" Cercando una risposta, viene effettuata l'analisi dell'efficacia di alcuni sistemi solari passivi e della loro applicabilità, nel contesto climatico italiano, sia su edifici esistenti che durante le prime fasi del processo compositivo che guida la progettazione architettonica. In particolare, è stata posta l'attenzione su quattro sistemi passivi, scelti secondo criteri di maggiore versatilità e maggiormente conformabili alla stilistica contemporanea che sempre più fa dell'uso del vetro e delle superfici trasparenti la propria identità. Con sistemi solari passivi si intendono quelle tecnologie ed accortezze progettuali che, sfruttando solamente i processi fisici di conduzione, convezione e irraggiamento responsabili della trasmissione del calore, consentono di beneficiare di apporti solari gratuiti sia dal punto di vista energetico che meramente economico.
L'obbiettivo di questa tesi di laurea è quello di proporre nuove linee guida o indicazioni di buona progettazione al fine di orientare il processo compositivo non solo verso l'aspetto estetico e funzionale dell'architettura finale ma anche verso un migliore impiego delle risorse naturali a nostra disposizione.
Con questo fine, inizialmente, si è fatto riferimento alla letteratura scientifica, mettendo in evidenza i parametri progettuali più ricorrenti ed influenti dei sistemi solari passivi più usati, in modo da limitare il numero di variabili in gioco e quantificarle. A seguito, è stata condotta un'indagine sperimentale, mediante l'utilizzo di un software dinamico per le simulazioni, su come la performance energetica dei sistemi solari passivi possa variare al variare dei parametri cardini dei sistemi stessi. Le simulazioni in questione vertevano sui possibili apporti gratuiti registrabili durante la fase di riscaldamento di un edificio di vecchia costruzione, preso a riferimento come tipologia tipo del patrimonio immobiliare italiano. L'analisi dei dati raccolti è stata svolta comparando i miglior risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate, valutando le soluzioni più efficaci e cercando delle correlazioni ricorrenti. Una volta analizzati i risultati, si è passati ad un'analisi di un caso studio specifico: un edificio di nuova concezione da me progettato, al fine di applicare le informazioni ottenute e verificare o confutare la veridicità di tali risultati.
I dati ottenuti dalla fase di simulazione mostrano una certa correlazione lineare dei benefit potenzialmente ottenibili al variare dei parametri progettuali cardini dei vari sistemi; ciò ha permesso l'individuazione degli intervalli di variazione delle performance energetiche, che si possono verificare applicando le tecnologie passive valutate nell'elaborato. Gli intervalli individuati possono considerarsi come linee guida che un architetto o progettista può sfruttare per ottimizzare, già durante la fase concettuale della composizione, quella che sarà la prestazione energetica della fabbrica una volta ultimata.
È emerso come, nel caso di un'abitazione in un clima caldo, per esempio, è energeticamente più conveniente installare le superfici vetrate a Ovest ed Est piuttosto che a Sud mentre, per un ufficio nello stesso clima, l'esposizione a Sud delle finestre è la più efficace. Se invece ci troviamo in un clima più freddo, per un edificio ad uso residenziale o di ufficio, l'esposizione a Sud è da preferire ma la convenienza nell'installazione di ampie vetrate è discutibile, a favore dei sistemi a muro solare che offrono una coibentazione migliore. Il test qualitativo proposto nella seconda parte del lavoro dimostra come, integrando nella progettazione alcune delle indicazioni proposte sulla progettazione passiva, come il posizionamento di maggiori superfici vetrate sui fronti Est ed Ovest, così come l'impiego di serre solari per la creazione di ambienti preriscaldati, il progetto originale abbia visto una diminuzione dei consumi energetici. Le due soluzioni proposte pocanzi, unite ad un sistema di ombreggiamento per scongiurare il surriscaldamento degli ambienti, assieme all'impiego di vernici nanotecnologiche per una migliore riflessione ed emissione da parte delle superfici opache, hanno permesso di ottimizzare la performance energetica dell'edificio riducendola di oltre il 16% rispetto all'originale.
Si ritiene importante sottolineare come l'implementazione delle soluzioni passive non abbia comportato alcuna radicale modifica della progettazione ma che, al contrario, tramite alcune accortezze che hanno permesso un più efficace sfruttamento dell'energia solare gratuita, abbia portato ad un notevole miglioramento energetico e con esso delle condizioni di comfort interno degli ambienti.
Tuttavia, è importante tenere presente che la simulazione parametrica eseguita si è concentrata prettamente sulla fase di apporti gratuiti di calore, e quindi rilevanti principalmente in fase di riscaldamento dell'edificio. Una volta messi a fuoco anche altri aspetti della progettazione passiva, siano essi economici piuttosto che l'applicabilità di tali sistemi in contesti climatici estremi o a tipologie di edificio diverse, i risultati ottenuti potrebbero variare. Per questo motivo, nessuna dichiarazione oggettiva può essere fatta circa la convenienza assoluta di una certa soluzione in un certo contesto applicativo invece di un altra, né tanto meno è possibile elaborare una teoria unica valida per ogni caso possibile.

At the basis of this study there is a question: "Can we compose architecture by making better use of the Sun's energy?" Looking for an answer, the analysis of the effectiveness of some passive solar systems and their applicability, in the Italian climatic context, both on existing buildings and during the early stages of the compositional process that guides architectural design is carried out. In particular, attention was focused on four passive systems, chosen according to criteria of greater versatility and more conformable to the contemporary style that increasingly makes the use of glass and transparent surfaces its identity. By passive solar systems we mean those technologies and design precautions that, by exploiting only the physical processes of conduction, convection and radiation responsible for heat transmission, allow to benefit from free solar contributions both from the energy and purely economic point of view.
The objective of this thesis is to propose new guidelines or indications of good design in order to direct the compositional process not only towards the aesthetic and functional aspect of the final architecture but also towards a better use of natural resources at our disposal.
To this end, initially, reference was made to scientific literature, highlighting the most common and influential design parameters of the most widely used passive solar systems, in order to limit the number of variables involved and quantify them. Then, an experimental investigation has been conducted, through the use of a dynamic software for simulations, on how the energy performance of passive solar systems can vary as the key parameters of the systems themselves vary. The simulations in question concerned the possible free contributions recorded during the heating phase of an old building, taken as a reference type of the Italian real estate. The analysis of the collected data has been carried out comparing the best results obtained from the simulations, evaluating the most effective solutions and looking for recurrent correlations. Once the results were analyzed, we moved on to an analysis of a specific case study: a newly designed building by me, in order to apply the information obtained and verify or refute the veracity of these results.
The data obtained from the simulation phase show a certain linear correlation of the benefits potentially obtainable with the variation of the pivotal design parameters of the various systems; this has allowed the identification of the intervals of variation of the energy performance, which can be verified by applying the passive technologies evaluated in the paper. The intervals identified can be considered as guidelines that an architect or designer can use to optimize, already during the conceptual phase of the composition, what will be the energy performance of the factory once completed.
It has emerged that, in the case of a house in a warm climate, for example, it is more energy efficient to install the glazed surfaces to the West and East rather than to the South, while for an office in the same climate, the southern exposure of the windows is the most effective. If, on the other hand, we are in a colder climate, for a residential or office building, southern exposure is preferable but the convenience of installing large windows is questionable, in favor of solar wall systems that offer better insulation. The qualitative test proposed in the second part of the work shows how, by integrating in the design some of the indications proposed on passive design, such as the placement of more glass surfaces on the East and West fronts, as well as the use of solar greenhouses for the creation of pre-heated environments, the original project has seen a decrease in energy consumption. The two solutions proposed above, combined with a shading system to prevent overheating of the rooms, together with the use of nanotechnological paints for better reflection and emission from the opaque surfaces, have made it possible to optimize the energy performance of the building, reducing it by over 16% compared to the original.
It is important to emphasize that the implementation of passive solutions has not led to any radical changes in the design, but, on the contrary, through a number of measures that have allowed a more effective use of free solar energy, has led to a significant improvement in energy consumption and, with it, in the internal comfort of the rooms.
However, it is important to keep in mind that the parametric simulation performed has focused purely on the phase of free heat inputs, and therefore relevant mainly in the heating phase of the building. Once other aspects of passive design have been focused on, be they economic rather than the applicability of such systems in extreme climatic contexts or to different building types, the results obtained may vary. For this reason, no objective statement can be made about the absolute convenience of a certain solution in a certain application context instead of another, nor is it possible to elaborate a single theory valid for every possible case.

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