Sistemi solari passivi: cosa sono e come funzionano

I sistemi solari passivi sono accorgimenti architettonici in grado di favorire il comfort interno senza ricorrere attivamente al consumo di energia

I sistemi solari passivi sono soluzioni architettoniche e tecnologiche che sfruttano l’energia solare passiva (radiazione solare + componenti dell’involucro) per riscaldare o raffrescare gli ambienti senza impianti meccanici dedicati.

Funzionano grazie a tre azioni: captare il sole (vetri/collettori integrati), accumulare calore (massa termica) e distribuirlo nell’edificio tramite processi naturali come irraggiamento, conduzione e convezione.

In edilizia, questa strategia bioclimatica richiede un equilibrio tra captazione invernale e schermatura estiva, soprattutto alle medie e alte latitudini. Tra i sistemi più diffusi c’è la serra bioclimatica, che può contribuire alla riduzione del fabbisogno energetico se progettata e dimensionata correttamente.

Il calcolo delle serre solari è parte integrante del calcolo del fabbisogno energetico dell’edificio stabilito dal pacchetto normativo UNI/TS 11300, il quale rimanda, specificatamente per il calcolo degli apporti termici dovuti alla serra solare, alla UNI EN ISO 13790:2008. Con il software per serre solari puoi calcolare il contributo delle serre bioclimatiche all’efficienza energetica dell’edificio a partire dai dati geometrici e dai parametri termici della serra.

Cos’è l’energia solare passiva e come viene utilizzata negli edifici?

L’energia solare passiva è l’utilizzo della radiazione solare per riscaldare o raffrescare un edificio senza impianti meccanici dedicati, sfruttando esclusivamente orientamento, involucro edilizio, massa termica e schermature.

Dalla progettazione solare passiva si creano i cosiddetti sistemi solari passivi, ossia soluzioni architettoniche integrate nell’edificio capaci di controllare le dinamiche di scambio termico tra esterno e interno, utilizzando la radiazione solare come fonte energetica primaria.

Come funzionano i sistemi solari passivi?

I sistemi solari passivi impiegano l’irraggiamento solare incidente sulle superfici dell’involucro edilizio e meccanismi naturali (cioè, senza l’ausilio d’energia prodotta da impianti termici o importata dalla rete) per il trasferimento del calore assorbito all’interno dell’edificio.

I sistemi solari passivi contribuiscono a ridurre significativamente i fabbisogni energetici, specialmente in edifici dall’involucro efficiente e ben isolato.

Poiché non vengono utilizzati sistemi meccanici, il consumo di energia associato al loro funzionamento è nullo, anche se va ricordato che devono essere progettati come parte integrante dell’architettura, prevendendo un corretto dimensionamento e una orientazione ottimale.

Dunque, i sistemi solari passivi consentono di raccogliere, immagazzinare e distribuire energia termica mediante processi naturali, quali radiazione, conduzione e convezione, con lo scopo di regolare il livello termoigrometrico dell’ambiente.

I sistemi solari passivi si basano su 3 principi fondamentali, che costituiscono i pilastri dell’architettura bioclimatica:

captazione dell’energia tramite effetto serra: questo principio sfrutta la capacità dei vetri di lasciar passare la radiazione solare, mentre impediscono il passaggio delle radiazioni di onda lunga (circa 11.000 nm) emesse dalle superfici riscaldate. Il calore rimane intrappolato e può essere utilizzato in diverse forme, seguendo lo stesso principio che regola la vita sulla Terra;
accumulo: l’energia viene immagazzinata in strutture pesanti con elevata inerzia termica, come muri e solai, con un ritardo temporale e un’attenuazione dell’onda termica;
distribuzione: il calore accumulato viene poi distribuito e rilasciato nell’ambiente circostante, riducendo così i fabbisogni energetici dell’edificio.

Elementi che compongono i sistemi solari passivi

Gli elementi essenziali dei sistemi di captazione passiva dell’energia solare sono:

collettori: costituiti da una superficie trasparente o traslucida, integrata sulle facciate ben esposte dell’edificio o in copertura, e da un assorbitore, una superficie opaca scura, esposta alla radiazione solare che penetra la superficie trasparente;
masse di accumulo: composte da materiali di diverso tipo e deputate a immagazzinare calore per poi ricederlo anche in assenza di radiazione solare;
componenti di controllo: possono essere fissi o mobili, azionati manualmente o automaticamente e sono schermature per regolare l’ingresso della radiazione solare, riflettori per aumentare la radiazione che raggiunge le aperture, valvole di vario tipo che agiscono sul moto naturale dei fluidi termovettori tra gli elementi, aperture regolabili per il controllo dell’aria esterna ecc.

Esempi di sistemi solari passivi

I sistemi solari passivi possono essere di tipo diverso e ciascuno con proprie specifiche caratteristiche.

In base alla relazione esistente tra il punto in cui il calore viene captato e il luogo effettivo del suo utilizzo, i sistemi passivi possono essere classificati in:

sistema a guadagno diretto: lo scambio termico prevalente è di tipo radiativo diretto;
sistema a guadagno indiretto: lo scambio termico prevalente è di tipo convettivo, quello radiativo è indiretto, attraverso la parete di accumulo;
sistema a guadagno isolato: la superficie di captazione è separata dall’accumulo termico, lo scambio è di tipo radiativo indiretto con una massa che accumula senza introdurre aria riscaldata direttamente nell’ambiente.

La seguente tabella comparativa classifica i sistemi solari passivi in base alla relazione tra captazione, accumulo e modalità di trasferimento del calore verso l’ambiente interno; nei paragrafi successivi verranno approfondite le specificità costruttive e prestazionali di ciascuna soluzione.

Sistema a guadagno diretto

I sistemi a guadagno diretto sono l’applicazione più semplice dell’energia solare passiva. Permettono all’energia radiante di entrare direttamente nell’ambiente da riscaldare. Questa energia viene solitamente immagazzinata da elementi che hanno anche altre funzioni, come pareti e pavimenti e poi rilasciata all’interno dell’edificio per riscaldamento per adduzione.

Il sistema prevede l’installazione di ampie superfici vetrate sulle facciate esposte a sud, mentre le pareti cieche, specialmente quelle orientate a nord, devono essere ben isolate. Le radiazioni solari attraversano le superfici vetrate e vengono trattenute all’interno grazie all’effetto serra. Le strutture edilizie, come muri e pavimenti, grazie alla loro massa, sono particolarmente efficaci come accumulatori di calore. Pertanto, è consigliabile posizionare l’isolamento all’esterno delle superfici murarie, affinché queste possano fungere da volano termico interno.

Le superfici vetrate devono essere progettate per minimizzare la dispersione di calore. Inoltre, è fondamentale che solai, pavimenti e pareti interne abbiano una massa sufficiente per agire come accumulatori, cosa che non sempre si verifica a causa dell’uso frequente di materiali leggeri come cartongesso, pavimenti sintetici e legno nell’edilizia moderna.

Sistema a guadagno indiretto

Per quanto riguarda, invece, il guadagno indiretto, il calore viene generato in uno spazio adiacente a quello abitato: la luce del sole viene assorbita da una parete esposta a sud, la quale immagazzina calore e, grazie ai moti d’aria dell’ambiente retrostante, lo trasferisce allo spazio interno.

Per un maggior controllo della temperatura interna, inoltre, viene spesso incluso un sistema di ventilazione sopra e sotto la parete, così da poter aiutare nella regolazione della temperatura.

I principali sistemi a guadagno indiretto sono rappresentati da:

muro solare;
muro di Trombe;
roof pond (sistemi a copertura solare).

Muro solare

Questo sistema prevede il guadagno termico mediante la captazione dell’energia solare attraverso superfici vetrate appositamente progettate, poste davanti a una parete di accumulo, nota come muro solare, che assorbe, accumula e irradia l’energia termica verso l’interno dell’edificio. Il sistema è costituito principalmente da una superficie vetrata captante situata davanti a un muro di accumulo (muro solare).
La superficie vetrata crea uno spazio a intercapedine davanti al muro solare, generando un effetto serra che aumenta la temperatura della parete di accumulo, la quale assorbe e immagazzina la radiazione solare catturata. Durante la fase di distribuzione, il muro solare irradia l’energia accumulata verso l’interno attraverso la sua faccia interna. La distribuzione del calore può essere potenziata da moti convettivi, attivati da aperture poste nelle zone inferiori e superiori del muro, che collegano lo spazio tra la superficie vetrata e il muro con l’ambiente interno.

Muro di Trombe

Nel muro di Trombe l’elemento di accumulo è costituito da una parete realizzata con materiali ad alta inerzia termica, orientata a sud e tinta di un colore scuro per assorbire meglio le radiazioni. Sulla parete sono opportunamente posizionate delle prese d’aria superiori e inferiori che possono essere aperte o chiuse a seconda della necessità e a distanza, davanti al suo lato esterno, è installata una superficie vetrata che funge da elemento captante.

Roof pond

Sistema isolato

Il sistema a guadagno solare isolato utilizza il calore generato in un punto distante dall’ambiente che si desidera riscaldare, spostandolo in seguito tramite convezione naturale o forzata. Il vantaggio nell’utilizzo di quest’ultima tipologia è la sua facile adattabilità ad edifici esistenti.

Tra i sistemi isolati vi sono:

collettori ad aria con letto di pietre;
camini solari Barra-Costantini;
collettori solari ad aria;
serre solari.

Collettori ad aria con letto di pietre

Questo sistema è particolarmente adatto per edifici unifamiliari o edifici di uno o due piani. I collettori ad aria, posizionati esternamente all’edificio, sono inclinati e più bassi, mentre un letto di pietre sotto il solaio del piano terra funge da voluminoso accumulatore di calore.

Non è generalmente consigliato per la ristrutturazione, anche per edifici bassi, poiché richiederebbe modifiche significative alla struttura del solaio del piano terra, se non la sua completa demolizione. Questo potrebbe scoraggiare l’adozione del sistema, a meno che non vi siano gravi carenze nei requisiti statici o di comfort della base dell’edificio o grandi altezze interpiano che potrebbero essere ridotte con l’inserimento della massa d’accumulo e di un nuovo piano di calpestio.

Camini solari

Il sistema descritto prevede l’uso di una muratura isolata verso l’interno con un collettore vetrato e una piastra metallica nera nell’intercapedine che assorbe calore e aumenta la velocità dell’aria calda. L’aria calda sale, attraversa canali nella partizione orizzontale, entra nell’ambiente interno, si raffredda rilasciando calore e ritorna nell’intercapedine.

Questo sistema offre prestazioni superiori a quelle di un muro Trombe, ma ad un costo di installazione maggiore. Esteticamente, richiede attenzione a causa delle ampie superfici vetrate davanti a elementi scuri. Il flusso d’aria è controllato da saracinesche o valvole. Tuttavia, nell’edilizia residenziale recente, con altezze interpiano minime, l’adozione di questo sistema è impraticabile senza deroghe.

Collettori solari ad aria

I collettori solari ad aria sono installati lungo il perimetro dell’edificio e sfruttano i moti convettivi naturali per facilitare la circolazione dell’aria tra il collettore e gli ambienti interni.

Serre solari

Le serre solari (o bioclimatiche) uniscono le caratteristiche del guadagno diretto con quelle di un muro di accumulo. Funzionano come un sistema a guadagno diretto poiché sono riscaldate direttamente dai raggi solari e il calore viene trasferito all’ambiente adiacente tramite un muro termo-accumulatore. La radiazione solare è assorbita dal muro posteriore della serra, convertita in calore e una parte di esso viene trasmessa all’edificio.

Il funzionamento di una serra bioclimatica si basa sul concetto dell’effetto serra: si utilizza la radiazione solare per innalzare la temperatura interna alla struttura.

Nello specifico, l’energia della luce visibile attraversa il vetro che racchiude la serra, viene assorbita dagli oggetti contenuti nella serra stessa e poi riemessa con lunghezza d’onda maggiore (luce infrarossa) che non viene trasmessa all’esterno dal vetro. Il risultato è il riscaldamento all’interno della serra.

Come una serra solare passiva supporta il riscaldamento sostenibile

Una serra solare supporta il riscaldamento sostenibile perchè cattura e immagazzina naturalmente il calore solare, riducendo o addirittura eliminando la necessità di riscaldamento esterno.

Realizzata prevalentemente in materiale trasparente come il vetro, ha la capacità di massimizzare la captazione solare e, superata la superficie vetrata, la radiazione solare si trasforma in calore, grazie al noto effetto serra.

Sfruttando l’effetto serra infatti, accumula l’energia termica durante il giorno e la rilascia lentamente all’interno della casa, per questo è utile inserire all’interno elementi massivi che accumulano il calore e poi lo disperdono gradualmente nell’ambiente.

Esse sono uno strumento di elevata sostenibilità perché sono progettate per adattarsi alle diverse stagioni:

nella stagione invernale funzionano come un vero e proprio accumulatore di calore, la radiazione solare penetra attraverso le superfici vetrate, si trasforma in calore e viene trattenuta all’interno. L’energia termica assorbita durante il giorno viene rilasciata lentamente all’interno della casa, per questo è utile inserire all’interno elementi massivi che accumulano il calore e poi lo disperdono gradualmente nell’ambiente. Ciò contribuisce a riscaldare e illuminare l’abitazione in modo sostenibile e a costo quasi nullo;
nella stagione estiva invece, si utilizzano sistemi di schermatura, vetri selettivi, frangisole o aperture per la ventilazione naturale per impedire il surriscaldamento interno e garantire il mantenimento di un buon livello di comfort, favorendo il ricambio d’aria e sfruttando le correnti naturali.

Confronto tra sistemi solari passivi e attivi: differenze principali

Un sistema attivo si differenzia da un sistema passivo per l’utilizzo di dispositivi meccanici o tecnologici che consumano energia, impiega infatti impianti e dispositivi meccanici per raccogliere e trasportare il calore.

Gli impianti meccanici di un sistema attivo sono deputati alla captazione, all’accumulo ed alla distribuzione dell’energia termica, che svolgono le loro funzioni in maniera indipendente rispetto a forma e tecnologia dell’architettura vera e propria.

Differiscono dai sistemi solari passivi per le seguenti specificità:

il sistema di captazione, sia esso ad acqua o aria, è, generalmente, un componente modulare (collettore solare), di produzione industriale, composto da una lastra trasparente (generalmente, vetro), da un’intercapedine d’aria, da una lastra nera assorbente con sottostante strato isolante e da una scocca metallica avente la funzione di tenere assemblati gli strati summenzionati;
il sistema di distribuzione è un vero e proprio circuito impiantistico, di pompe e tubi (acqua) o ventilatori e condotti (aria), che trasporta il fluido ai terminali di scambio termico, che possono essere radiatori tradizionali o serpentine a bassa temperatura (a pavimento o a soffitto), nel caso di fluido acqua, ovvero ventilconvettori o bocchette d’aerazione nel caso di fluido aria.

Generalmente, gli edifici che incorporano soluzioni passive nella loro architettura non sono autosufficienti: questo significa che non sono in grado di garantire le condizioni di comfort di progetto durante la totalità del tempo.

Si è dunque obbligati a prevedere un sistema ausiliario per coprire le necessità e i fabbisogni che non si riescono a soddisfare passivamente.

Tra i principali sistemi attivi che sfruttano l’energia del sole possiamo ricordare i collettori solari piani o a concentrazione ed i sistemi di accumulo.

I vantaggi della progettazione solare passiva per l’efficienza energetica

La progettazione solare passiva è più di un semplice concetto: è un approccio olistico che integra elementi architettonici, materiali e ambiente naturale per ottimizzare l’energia solare per il riscaldamento domestico.

Durante l’iter progettuale è bene avere sempre in mente i pilastri dell’architettura bioclimatica e considerare:

il posizionamento delle aperture vetrate: è bene che non siano ostruite o ombreggiate da altri edifici e che siano orientate a SUD (entro 30°);
l’inserimento dell’assorbitore: l’assorbitore è la superficie che copre l’elemento di accumulo termico e che assorbe la luce trasmessa e la trasmette all’accumulo termico; può essere ad esempio il rivestimento di una parete o di un pavimento;
l’inserimento di un elemento con elevata massa termica: rappresenta il materiale, al di sotto del rivestimento assorbitore della luce solare che immagazzina il calore;
la distribuzione del calore: è importante, durante la fase progettuale, considerare il modo in cui il calore circola e si distribuisce negli spazi. Conduzione, convezione e irraggiamento sono i metodi di trasmissione naturale, ma essa può essere agevolata anche con l’ausilio di ventilatori o diffusori;
l’inserimento di elementi di controllo solare: tende, persiane e aggetti sono elementi utilizzate per ombreggiare le superfici vetrate durante i mesi estivi.

Una progettazione solare passiva accurata, accompagnata dall’uso intelligente dei materiali permette di:

ridurre significativamente i consumi energetici;
ridurre le emissioni di carbonio;
ottenere una costruzione di qualità superiore;
aumentare il comfort abitativo;
migliorare la qualità della vita.

FAQ sui sistemi solari passivi

Cos’è l’energia solare passiva?

L’energia solare passiva è l’utilizzo della radiazione solare per riscaldare o raffrescare un edificio senza impianti meccanici dedicati. Si basa sull’integrazione tra orientamento, superfici vetrate, massa termica e schermature, permettendo all’architettura stessa di captare, accumulare e distribuire il calore attraverso processi naturali.

Cosa sono i sistemi solari passivi?

I sistemi solari passivi sono soluzioni architettoniche integrate nell’edificio che sfruttano l’energia solare passiva per riscaldare o raffrescare gli ambienti senza l’impiego di impianti meccanici dedicati. Utilizzano superfici vetrate per captare la radiazione solare, materiali ad elevata inerzia termica per accumulare il calore e processi naturali come irraggiamento, conduzione e convezione per distribuirlo all’interno dell’edificio.

Il loro funzionamento dipende da un corretto orientamento, da un adeguato dimensionamento e dall’integrazione con elementi di controllo solare, come schermature e aperture regolabili.

Quali sono i principali sistemi solari passivi?

I sistemi solari passivi si classificano in tre categorie principali in base alla relazione tra captazione e utilizzo del calore:

Guadagno diretto, in cui la radiazione entra direttamente nell’ambiente attraverso superfici vetrate.
Guadagno indiretto, in cui il calore viene accumulato in una parete o massa intermedia prima di essere rilasciato all’interno.
Guadagno isolato, in cui la captazione avviene in uno spazio separato e il calore viene trasferito successivamente all’ambiente abitato.

Come funziona un sistema a guadagno diretto?

Nel sistema a guadagno diretto, l’energia solare attraversa superfici vetrate orientate preferibilmente a sud e viene assorbita da pareti e pavimenti con elevata massa termica. Il calore accumulato viene poi rilasciato gradualmente all’interno dell’edificio, contribuendo al riscaldamento naturale degli ambienti.

Cos’è un muro di Trombe?

Il muro di Trombe è un sistema a guadagno indiretto costituito da una parete massiva ad alta inerzia termica, orientata a sud e protetta da una superficie vetrata esterna. La parete assorbe la radiazione solare, accumula calore e lo rilascia verso l’interno, anche attraverso moti convettivi regolati da aperture superiori e inferiori.

I sistemi solari passivi sono sufficienti a garantire il comfort tutto l’anno?

Generalmente no. Gli edifici che integrano sistemi solari passivi non sono completamente autosufficienti e necessitano di un sistema ausiliario per coprire i fabbisogni energetici nei periodi in cui l’apporto solare non è sufficiente a garantire le condizioni di comfort di progetto.

Qual è la differenza tra sistemi solari passivi e sistemi solari attivi?

I sistemi solari passivi integrano captazione, accumulo e distribuzione del calore direttamente nell’architettura dell’edificio e funzionano tramite processi naturali. I sistemi solari attivi, invece, utilizzano componenti impiantistici come collettori modulari, pompe, ventilatori e circuiti di distribuzione per raccogliere e trasportare l’energia termica.

 

 

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