Nella progettazione passiva di edifici solari, finestre, pareti e pavimenti sono fatti per raccogliere, immagazzinare, riflettere e distribuire l’energia solare sotto forma di calore in inverno e rifiutare il calore solare in estate. Questo è chiamato design solare passivo perché, a differenza dei sistemi di riscaldamento solare attivi, non comporta l’uso di dispositivi meccanici ed elettrici.

La chiave per progettare un edificio solare passivo è sfruttare al meglio il clima locale eseguendo un’accurata analisi del sito. Gli elementi da considerare includono la disposizione e le dimensioni delle finestre e il tipo di vetratura, l’isolamento termico, la massa termica e l’ombreggiatura. Le tecniche di progettazione solare passiva possono essere applicate più facilmente ai nuovi edifici, ma gli edifici esistenti possono essere adattati o “adattati”.

Guadagno di energia passiva
Assicura le tecnologie solari che utilizzano la luce solare senza sistemi meccanici attivi (in contrasto con il solare attivo). Tali tecnologie convertono la luce solare in calore utilizzabile (in acqua, aria e massa termica), causando movimenti d’aria per la ventilazione o l’uso futuro, con un uso limitato di altre fonti di energia. Un esempio comune è un solarium sul lato dell’equatore di un edificio. Il raffreddamento passivo è l’uso degli stessi principi di progettazione per ridurre i requisiti di raffreddamento estivo.

Alcuni sistemi passivi utilizzano una piccola quantità di energia convenzionale per controllare serrande, persiane, isolamento notturno e altri dispositivi che aumentano la raccolta, lo stoccaggio e l’utilizzo di energia solare e riducono il trasferimento di calore indesiderato.

Le tecnologie solari passive includono guadagno solare diretto e indiretto per il riscaldamento degli ambienti, sistemi di riscaldamento dell’acqua solare basati sul termosifone, uso di materiali a massa termica e a cambiamento di fase per rallentare gli sbalzi di temperatura dell’aria interna, i fornelli solari, il camino solare per migliorare la ventilazione naturale e riparo della terra.

Più ampiamente, le tecnologie solari passive includono la fornace solare, ma ciò richiede tipicamente energia esterna per allineare i loro specchi o ricevitori di concentrazione, e storicamente non si è dimostrata pratica o economica per un uso diffuso. Le esigenze energetiche “di basso livello”, come lo spazio e il riscaldamento dell’acqua, hanno dimostrato nel tempo di essere applicazioni migliori per l’uso passivo dell’energia solare.

Come scienza
La base scientifica per la progettazione passiva dell’edificio solare è stata sviluppata da una combinazione di climatologia, termodinamica (in particolare trasferimento di calore: conduzione (calore), convezione e radiazione elettromagnetica), meccanica dei fluidi / convezione naturale (movimento passivo di aria e acqua senza l’uso di elettricità, ventilatori o pompe), e il comfort termico umano basato su indice di calore, psicometria e controllo dell’entalpia per edifici abitati da esseri umani o animali, sunrooms, solarium e serre per innalzare piante.

Un’attenzione specifica è suddivisa in: il sito, la posizione e l’orientamento solare dell’edificio, il percorso solare locale, il livello prevalente di insolazione (latitudine / sole / nuvole / precipitazioni), design e qualità / materiali da costruzione, posizionamento / dimensione / tipo di finestre e pareti e incorporazione di massa termica di accumulo dell’energia solare con capacità termica.

Sebbene queste considerazioni possano essere rivolte a qualsiasi edificio, il raggiungimento di una soluzione di costo / prestazioni ottimizzata ideale richiede un’attenta e olistica ingegneria di integrazione di sistema di questi principi scientifici. Moderne perfezionamenti attraverso la modellazione al computer (come il completo Dipartimento dell’Energia “Energy Plus”, software di simulazione energetica dell’edificio) e l’applicazione di decenni di lezioni apprese (a partire dalla crisi energetica degli anni ’70) possono ottenere significativi risparmi energetici e riduzione dei danni ambientali, senza sacrificando funzionalità o estetica. In effetti, le caratteristiche del design passivo-solare come una serra / veranda / solarium possono migliorare notevolmente la vivibilità, la luce diurna, le viste e il valore di una casa, a un basso costo per unità di spazio.

Molto è stato appreso sulla progettazione di edifici solari passivi a partire dalla crisi energetica degli anni ’70. Molti costosi esperimenti di costruzione non basati sull’intuizione e basati sull’intuizione hanno tentato e non sono riusciti a raggiungere l’energia zero – l’eliminazione totale delle bollette energetiche di riscaldamento e raffreddamento.

La costruzione passiva di pannelli solari non può essere difficile o dispendiosa (utilizzando materiali e tecnologie già esistenti), ma il progetto di costruzione solare passivo scientifico è uno sforzo ingegneristico non banale che richiede uno studio significativo di precedenti lezioni controintuitive apprese, e tempo di inserire, valutare e perfezionare iterativamente l’input e l’output della simulazione.

Uno degli strumenti di valutazione post-costruzione più utili è stato l’uso della termografia mediante termocamere digitali per un audit energetico quantitativo formale. L’imaging termico può essere utilizzato per documentare le aree con scarso rendimento termico, come l’impatto termico negativo del vetro angolato sul tetto o un lucernario in una fredda notte invernale o in una calda giornata estiva.

Le lezioni scientifiche apprese negli ultimi trent’anni sono state acquisite in sofisticati sistemi completi di software per la simulazione di energia degli edifici (come gli Stati Uniti DOE Energy Plus).

La progettazione di edifici solari passivi scientifici con ottimizzazione del costo quantitativo dei costi non è facile per i principianti. Il livello di complessità ha portato a una cattiva architettura in corso ea molti esperimenti di costruzione non scientifici basati sull’intuizione che deludono i loro progettisti e sprecano una parte significativa del loro budget di costruzione su idee inappropriate.

La motivazione economica per la progettazione scientifica e l’ingegneria è significativa. Se fosse stata applicata in modo completo alla costruzione di un nuovo edificio a partire dal 1980 (sulla base delle lezioni apprese negli anni ’70), l’America potrebbe risparmiare più di $ 250.000.000 all’anno su energia costosa e inquinamento correlato oggi.

Dal 1979, il Passive Solar Building Design è stato un elemento critico del raggiungimento di zero energia da parte di esperimenti di istituti scolastici e governi di tutto il mondo, tra cui il Dipartimento per l’energia degli Stati Uniti e scienziati che hanno sostenuto per decenni. La proof of concept economica è stata fondata decenni fa, ma l’assimilazione culturale nell’architettura, nelle costruzioni e nel processo decisionale degli editori è stata molto lenta e difficile da cambiare.

I nuovi termini “Architectural Science” e “Architectural Technology” sono stati aggiunti ad alcune scuole di Architettura, con un obiettivo futuro di insegnare i principi scientifici e di ingegneria energetica di cui sopra.

Il percorso solare nel design passivo
La capacità di raggiungere questi obiettivi simultaneamente dipende fondamentalmente dalle variazioni stagionali del percorso del sole durante il giorno.

Ciò si verifica a seguito dell’inclinazione dell’asse di rotazione terrestre in relazione alla sua orbita. Il percorso del sole è unico per ogni latitudine data.

Nell’emisfero settentrionale le latitudini non tropicali oltre i 23,5 gradi dall’equatore:

Il sole raggiungerà il suo punto più alto verso sud (nella direzione dell’equatore)
All’avvicinarsi del solstizio d’inverno, l’angolo al quale il sole sorge e tramonta progressivamente si sposta più verso sud e le ore diurne si accorciano
L’opposto è notato in estate, dove il sole sorgerà e si sposterà ulteriormente verso il Nord e le ore diurne si allungheranno
L’opposto si osserva nell’emisfero australe, ma il sole sorge ad est e si dirige verso ovest indipendentemente dall’emisfero in cui ci si trova.

Nelle regioni equatoriali a meno di 23,5 gradi, la posizione del sole a mezzogiorno solare oscillerà da nord a sud e tornerà di nuovo durante l’anno.

Nelle regioni più vicine di 23,5 gradi rispetto al polo nord o sud, durante l’estate il sole traccia un cerchio completo nel cielo senza alcuna impostazione, mentre non apparirà mai sopra l’orizzonte sei mesi dopo, durante l’inverno.

La differenza di 47 gradi nell’altitudine del sole a mezzogiorno solare tra inverno ed estate costituisce la base del progetto solare passivo. Queste informazioni sono combinate con i requisiti di riscaldamento e raffreddamento dei dati climatici locali (giorno di laurea) per determinare in quale momento dell’anno il guadagno solare sarà vantaggioso per il comfort termico e quando dovrebbe essere bloccato con l’ombreggiatura. Posizionando strategicamente oggetti come vetri e dispositivi di ombreggiatura, la percentuale di guadagno solare che entra in un edificio può essere controllata durante tutto l’anno.

Un problema di progettazione del percorso solare solare passivo è che sebbene il sole sia nella stessa posizione relativa sei settimane prima, e sei settimane dopo, il solstizio, a causa del “ritardo termico” dalla massa termica della Terra, i requisiti di temperatura e guadagno solare sono piuttosto diversi prima e dopo il solstizio d’estate o d’inverno. Persiane mobili, paralumi, schermi ombreggianti o trapunte per finestre possono soddisfare i requisiti di guadagno e isolamento termico giorno per giorno e ora-ora.

L’accurata disposizione delle stanze completa il design solare passivo. Una raccomandazione comune per le abitazioni residenziali è quella di posizionare le zone abitative di fronte al mezzogiorno solare e ai posti letto sul lato opposto. Un heliodon è un dispositivo di luce mobile tradizionale utilizzato da architetti e designer per aiutare a modellare gli effetti del percorso del sole. Nei tempi moderni, la computer grafica 3D può simulare visivamente questi dati e calcolare previsioni di rendimento.

Principi di trasferimento solare termico passivo
Il comfort termico personale è una funzione dei fattori di salute personali (medici, psicologici, sociologici e situazionali), temperatura dell’aria ambiente, temperatura radiante media, movimento dell’aria (vento freddo, turbolenza) e umidità relativa (che influisce sul raffreddamento evaporativo umano). Il trasferimento di calore negli edifici avviene per convezione, conduzione e radiazione termica attraverso il tetto, i muri, il pavimento e le finestre.

Trasferimento di calore convettivo
Il trasferimento di calore convettivo può essere benefico o dannoso. Le infiltrazioni d’aria incontrollate a causa di scarsa resistenza agli agenti atmosferici / atmosferica / a prova di tiraggio possono contribuire fino al 40% della perdita di calore durante l’inverno; tuttavia, la collocazione strategica di finestre o prese d’aria funzionanti può migliorare la convezione, la ventilazione trasversale e il raffreddamento estivo quando l’aria esterna ha una temperatura e un’umidità relativa confortevoli. I sistemi di ventilazione con recupero di energia filtrata possono essere utili per eliminare l’umidità indesiderata, polvere, polline e microrganismi nell’aria di ventilazione non filtrata.

La convezione naturale che causa l’innalzamento dell’aria calda e la caduta dell’aria più fredda può provocare una stratificazione disomogenea del calore. Ciò può causare scomode variazioni di temperatura nello spazio condizionato superiore e inferiore, servire come metodo per sfiatare l’aria calda, o essere progettato come un circuito di flusso d’aria di convezione naturale per la distribuzione del calore solare passiva e l’equalizzazione della temperatura. Il raffreddamento umano naturale per sudorazione ed evaporazione può essere facilitato dal movimento dell’aria convettiva naturale o forzata da parte dei ventilatori, ma i ventilatori a soffitto possono disturbare gli strati d’aria stratificati isolanti nella parte superiore di una stanza e accelerare il trasferimento di calore da una soffitta calda o attraverso finestre vicine . Inoltre, l’elevata umidità relativa inibisce il raffreddamento per evaporazione da parte dell’uomo.

Trasferimento di calore radiativo
La principale fonte di trasmissione del calore è l’energia radiante e la fonte primaria è il sole. Le radiazioni solari si verificano prevalentemente attraverso il tetto e le finestre (ma anche attraverso i muri). La radiazione termica si sposta da una superficie più calda a una più fredda. I tetti ricevono la maggior parte della radiazione solare consegnata a una casa. Un tetto fresco, o un tetto verde oltre a una barriera radiante può aiutare a evitare che la vostra soffitta diventi più calda della temperatura dell’aria esterna estiva di punta (vedi albedo, assorbanza, emissività e riflettività).

Le finestre sono un sito pronto e prevedibile per le radiazioni termiche. L’energia delle radiazioni può spostarsi in una finestra durante il giorno e fuori dalla stessa finestra durante la notte. La radiazione utilizza i fotoni per trasmettere onde elettromagnetiche attraverso un vuoto o mezzo traslucido. L’aumento di calore solare può essere significativo anche nelle giornate fredde. Il guadagno di calore solare attraverso le finestre può essere ridotto con vetri isolanti, ombreggiature e orientamento. Le finestre sono particolarmente difficili da isolare rispetto al tetto e alle pareti. Anche il trasferimento convettivo di calore attraverso e intorno ai rivestimenti delle finestre ne degrada le proprietà isolanti. Quando si ombreggiano le finestre, l’ombreggiatura esterna è più efficace nel ridurre il guadagno di calore rispetto ai rivestimenti interni delle finestre.

Il sole occidentale e orientale può fornire calore e illuminazione, ma è vulnerabile al surriscaldamento in estate se non ombreggiato. Al contrario, il sole basso a mezzogiorno ammette prontamente luce e calore durante l’inverno, ma può essere facilmente ombreggiato con opportune sporgenze di lunghezza o persiane angolari durante l’estate e alberi da ombra estivi con foglie che perdono le foglie in autunno. La quantità di calore radiante ricevuta è correlata alla latitudine, all’altitudine, alla copertura nuvolosa e all’angolo di incidenza stagionale / orario (vedere Percorso del sole e legge del coseno di Lambert).

Un altro principio di progettazione solare passivo è che l’energia termica può essere immagazzinata in alcuni materiali da costruzione e rilasciata nuovamente quando il guadagno di calore si riduce per stabilizzare le variazioni di temperatura diurna (giorno / notte). La complessa interazione dei principi termodinamici può essere controintuitiva per i progettisti alle prime armi. Una modellazione computerizzata precisa può aiutare a evitare costosi esperimenti di costruzione.

Considerazioni specifiche del sito durante la progettazione
Latitudine, percorso del sole e insolazione (sole)
Variazioni stagionali del guadagno solare, ad es. giorni di grado di raffreddamento o riscaldamento, insolazione solare, umidità
Variazioni diurne in temperatura
Dettagli microclimatici relativi a brezze, umidità, vegetazione e contorno del terreno
Ostruzioni / Over-shadowing – al guadagno solare o ai venti trasversali locali

Elementi di design per edifici residenziali in climi temperati
Posizionamento di tipi di camere, porte e pareti interne e attrezzature della casa.
Orientare l’edificio per affrontare l’equatore (o pochi gradi verso est per catturare il sole del mattino)
Estensione della dimensione dell’edificio lungo l’asse est / ovest
Adeguatamente dimensionare le finestre per affrontare il sole di mezzogiorno in inverno, ed essere ombreggiate in estate.
Ridurre al minimo le finestre su altri lati, in particolare le finestre occidentali
Costruzione di sporgenze del tetto di dimensioni corrette, specifiche della latitudine, o elementi di ombreggiatura (arbusti, alberi, graticci, recinzioni, imposte, ecc.)
Utilizzare la quantità e il tipo di isolamento appropriati, comprese le barriere radianti e l’isolamento della massa per ridurre al minimo l’aumento o la perdita di calore stagionale
Usando la massa termica per immagazzinare l’energia solare in eccesso durante la giornata invernale (che viene poi ri-irradiata durante la notte)

La quantità precisa di vetro e massa termica rivolta all’equatore deve essere basata su un’attenta considerazione della latitudine, dell’altitudine, delle condizioni climatiche e dei requisiti del giorno di grado di riscaldamento / raffreddamento.

Fattori che possono degradare le prestazioni termiche:

Deviazione dall’orientamento ideale e dalle proporzioni nord / sud / est / ovest
Eccessiva area vetrata (“vetratura”) con conseguente surriscaldamento (con conseguente abbagliamento e sbiadimento di arredi morbidi) e perdita di calore quando le temperature dell’aria ambiente diminuiscono
Installare la vetratura in cui il guadagno solare durante il giorno e le perdite termiche durante la notte non possono essere controllate facilmente, ad es. Vetri ad angolo rivolti ad ovest, lucernari
Perdite termiche attraverso vetri non isolati o non protetti
Mancanza di ombreggiamento adeguato durante i periodi stagionali di alto guadagno solare (specialmente sul muro occidentale)
Applicazione errata della massa termica per modulare le variazioni di temperatura giornaliere
Aprire le scale che portano ad una distribuzione disuguale di aria calda tra i piani superiori e inferiori quando l’aria calda sale
Elevata superficie di costruzione a volume – Troppi angoli
Intemperie inadeguate che portano a un’alta infiltrazione d’aria
Mancanza o errata installazione di barriere radianti durante la stagione calda. (Vedi anche tetto fresco e tetto verde)
Materiali isolanti che non sono adattati alla modalità principale di trasferimento di calore (ad esempio trasferimento di calore convettivo / conduttivo / radiante indesiderato)

Efficienza ed economia del riscaldamento solare passivo
Tecnicamente, PSH è altamente efficiente. I sistemi a guadagno diretto possono utilizzare (cioè convertire in calore “utile”) il 65-70% dell’energia della radiazione solare che colpisce l’apertura o il collettore.

La frazione solare passiva (PSF) è la percentuale del carico termico richiesto soddisfatta da PSH e rappresenta quindi una potenziale riduzione dei costi di riscaldamento. RETScreen International ha segnalato un PSF del 20-50%. Nell’ambito della sostenibilità, il risparmio energetico anche dell’ordine del 15% è considerato sostanziale.

Altre fonti riportano le seguenti FPF:

5-25% per i sistemi modesti
40% per sistemi “altamente ottimizzati”
Fino al 75% per sistemi “molto intensi”
In climi favorevoli come il sud-ovest degli Stati Uniti, i sistemi altamente ottimizzati possono superare il 75% di PSF.

Paesaggistica e giardini
I materiali paesaggistici ad alta efficienza energetica per attente scelte solari passive includono materiali da costruzione hardscape e impianti “softscape”. L’uso di principi di progettazione del paesaggio per la selezione di alberi, siepi e caratteristiche pergolato-traliccio con le viti; tutto può essere utilizzato per creare ombreggiature estive. Per il guadagno solare invernale è preferibile utilizzare piante decidue che lasciano cadere le foglie in autunno per i benefici solari passivi per tutto l’anno. Arbusti e alberi sempreverdi non decidui possono essere frangiventi, a diverse altezze e distanze, per creare protezione e riparo dal gelo invernale. Xeriscaping con piante autoctone e resistenti alla siccità, irrigazione a goccia, pacciamatura e pratiche di giardinaggio biologico riducono o eliminano la necessità di irrigazione ad alta intensità di energia e acqua, attrezzature da giardino alimentate a gas e riducono gli sprechi di discarica orma. Le illuminazioni a energia solare e le pompe per fontane e le piscine coperte e le piscine con scaldacqua solari possono ridurre l’impatto di tali servizi.

Giardinaggio sostenibile
Paesaggistica sostenibile
Architettura del paesaggio sostenibile

Altri principi solari passivi

Illuminazione solare passiva
Le tecniche di illuminazione solare passiva migliorano sfruttando l’illuminazione naturale per gli interni e riducono quindi la dipendenza dai sistemi di illuminazione artificiale.

Ciò può essere ottenuto mediante un’attenta progettazione, orientamento e collocazione di sezioni di finestre per la raccolta della luce. Altre soluzioni creative prevedono l’uso di superfici riflettenti per ammettere la luce diurna all’interno di un edificio. Le sezioni della finestra devono essere adeguatamente dimensionate e per evitare la sovra-illuminazione possono essere schermate con un soleil Brise, tende da sole, alberi ben posizionati, rivestimenti in vetro e altri dispositivi passivi e attivi.

Un altro problema importante per molti sistemi di finestre è che possono essere siti potenzialmente vulnerabili di eccessivo guadagno termico o perdita di calore. Mentre vetrate a clessidra montate alte e lucernari tradizionali possono introdurre la luce diurna in sezioni poco orientate di un edificio, il trasferimento di calore indesiderato può essere difficile da controllare. Pertanto, l’energia risparmiata riducendo l’illuminazione artificiale è spesso più che compensata dall’energia necessaria per il funzionamento dei sistemi HVAC per mantenere il comfort termico.

Vari metodi possono essere impiegati per affrontare questo problema, compresi ma non limitati a rivestimenti di finestre, vetri isolanti e nuovi materiali come l’isolamento semi-trasparente aerogel, fibra ottica incorporata in pareti o tetto o illuminazione ibrida solare presso Oak Ridge National Laboratory.

Elementi riflettenti, da collettori di luce solare attivi e passivi, come ripiani leggeri, pareti e pavimenti più chiari, sezioni a parete specchiate, pareti interne con pannelli superiori in vetro e porte a battente in vetro trasparente o traslucido e porte scorrevoli in vetro catturano la luce catturata e riflettono passivamente più all’interno La luce può provenire da finestre passive o lucernari e tubi di luce solare o da fonti di illuminazione diurna attive. Nell’architettura tradizionale giapponese le porte scorrevoli Shōji, con schermi Washi traslucidi, sono un precedente originale. Stile internazionale, architettura moderna modernista e metà del secolo sono stati i primi innovatori di questa penetrazione passiva e riflessione in applicazioni industriali, commerciali e residenziali.

Riscaldamento solare passivo dell’acqua
Esistono molti modi per utilizzare l’energia solare termica per riscaldare l’acqua per uso domestico. Diverse tecnologie di acqua calda solare attiva e passiva hanno implicazioni di analisi costi-benefici economiche diverse per posizione.

Il riscaldamento solare passivo di acqua calda fondamentale non comporta alcuna pompa o nulla di elettrico. È molto conveniente in climi che non hanno un lungo sottoraffreddamento o condizioni meteorologiche molto nuvolose. Altre tecnologie attive per il riscaldamento dell’acqua solare, ecc. Potrebbero essere più appropriate per alcune località.

È possibile avere acqua calda solare attiva che è anche in grado di essere “off grid” e si qualifica come sostenibile. Questo viene fatto utilizzando una cella fotovoltaica che utilizza l’energia del sole per alimentare le pompe.

Clima e comfort
Ogni edificio è costruito per ripararci e proteggerci dall’ambiente esterno creando un clima interno. Quando le condizioni dell’esterno impediscono il comfort dello spazio interno, vengono utilizzati sistemi di riscaldamento o raffreddamento.

Tra le misure più efficaci c’è il risparmio di energia attraverso l’uso dell’isolamento termico. Ma conservare energia significa isolarci dall’esterno, il progetto passivo cerca di aprire l’edificio all’esterno in modo tale da poter ottenere un condizionamento naturale.

Quindi il clima in cui si trova l’edificio è definito dalla temperatura, dai livelli di umidità, dalla velocità e direzione dei venti e dalla luce del sito. Quindi le condizioni climatiche possono costituire uno svantaggio o un vantaggio per un’adeguata efficienza energetica della casa. Vengono quindi applicati concetti semplici della vita quotidiana, come ad esempio:

Se fa troppo freddo per sentirsi a proprio agio, allora ci avvolgiamo = isolamento termico
se è una giornata ventosa e abbiamo freddo cerchiamo qualche oggetto per proteggerci e tornare al comfort = protezione dal vento
se fa troppo caldo e siamo al sole, cerchiamo l’ombra = protezione solare
se fa caldo, anche all’ombra, cerchiamo la brezza per rinfrescarci = ventilazione
se fa caldo e l’aria è molto secca, cerca un po ‘di ombra e fresco seminterrato = massa termica

Casa in montagna
Per una casa di montagna situata in un posto dove fa molto freddo e c’è molto vento, vogliamo che la posizione sia su un pendio soleggiato protetto dal vento, che incorpori l’isolamento termico a soffitti, pareti e finestre; preferibilmente posizionare le finestre verso il sole di mezzogiorno; costruire in modo tale che vi sia la minor quantità di fessure in cui l’aria fredda penetra e dissipa il calore all’interno.

Casa del deserto
Una casa nel deserto dovrebbe essere protetta dall’irraggiamento solare. D’altra parte, poiché la variazione di temperatura tra il giorno e la notte è elevata, a causa della mancanza di umidità nell’aria, è consigliabile utilizzare la massa termica costruendo muri spessi con materiali locali. È necessario sfruttare la bassa temperatura notturna per raffreddare la massa dell’edificio attraverso aperture strategicamente posizionate che consentono la ventilazione.

La base di qualsiasi progetto ambientalmente consapevole che è destinato ad essere efficace è una risposta adeguata agli inconvenienti e ai vantaggi del clima del luogo. Se questo non viene preso in considerazione dovremo andare ai sistemi meccanici di condizionamento termico, con il consumo di energia e le emissioni di gas serra risultante.

Confronto con lo standard Passive House in Europa
In Europa cresce lo slancio per l’approccio adottato dall’istituto tedesco Passivhaus in tedesco. Piuttosto che basarsi esclusivamente su tecniche passive tradizionali di progettazione solare, questo approccio cerca di utilizzare tutte le fonti passive di calore, riduce al minimo l’utilizzo di energia e sottolinea la necessità di elevati livelli di isolamento rinforzati da un’attenzione meticolosa ai dettagli per affrontare ponti termici e infiltrazione di aria fredda. La maggior parte degli edifici costruiti secondo lo standard Passive House incorporano anche un’unità di ventilazione con recupero di calore attivo con o senza un piccolo (tipicamente 1 kW) componente di riscaldamento incorporato.

Il design energetico degli edifici Passive House viene sviluppato utilizzando uno strumento di modellazione basato su fogli di calcolo chiamato Passive House Planning Package (PHPP), che viene aggiornato periodicamente. La versione corrente è PHPP2007, dove 2007 è l’anno di rilascio. Un edificio può essere certificato come “casa passiva” quando si può dimostrare che soddisfa determinati criteri, il più importante è che la richiesta di calore specifica annuale per la casa non deve superare i 15kWh / m2a.

Sistemi solari passivi
I sistemi solari passivi sono utilizzati principalmente per catturare e immagazzinare il calore dall’energia solare. Sono chiamati passivi poiché altri dispositivi elettromeccanici non sono utilizzati per ricircolare il calore. Questo accade a causa di principi fisici di base come conduzione, radiazione e convezione del calore.

Guadagno diretto: è il sistema più semplice e comporta la cattura dell’energia del sole da parte di superfici vetrate, dimensionate per ciascun orientamento e in base alle esigenze di calore dell’edificio o dei locali da riscaldare.

Muro di accumulo non ventilato: noto anche come muro di trombe, che è un muro costruito con pietra, mattoni, cemento o addirittura acqua, dipinto di colore nero o molto scuro all’esterno. Per migliorare la cattura, viene utilizzata una proprietà del vetro, che genera un effetto serra, attraverso cui entra la luce visibile e quando viene toccato il muro, la riscalda emettendo radiazioni infrarosse che non possono penetrare nel vetro. Per questo motivo la temperatura della superficie scura e della camera d’aria tra la parete e il vetro aumenta.

Parete ventilata di accumulo: simile alla precedente ma che incorpora gli orifizi nella parte superiore e inferiore per facilitare lo scambio di calore tra la parete e l’atmosfera per mezzo della convezione.

Serra annodata: in questo caso, il muro a mezzogiorno incorpora un’area vetrata, che può essere abitabile, migliorando la cattura del calore durante il giorno, riducendo le perdite di calore verso l’esterno.

Tetto di accumulo di calore: a certe latitudini è possibile utilizzare la superficie del tetto per catturare e accumulare l’energia del sole. Conosciuti anche come stagni solari, richiedono dispositivi mobili complessi per evitare che il calore sfugga di notte.

Raccolta solare e accumulo di calore: è un sistema più complesso e consente di combinare il guadagno diretto di finestre con collettori solari di aria o acqua calda per accumularlo sotto il pavimento. Quindi, in modo simile alla parete dell’accumulatore ventilato, il calore viene portato nell’ambiente interno. Opportunamente dimensionato consente di accumulare calore per più di sette giorni.

In quasi tutti i casi può essere utilizzato come sistema di raffreddamento passivo invertendo il senso operativo.

Strumenti di progettazione
Tradizionalmente un eliodon è stato utilizzato per simulare l’altitudine e l’azimut del sole che brilla su un modello di edificio in qualsiasi momento di qualsiasi giorno dell’anno. Nei tempi moderni, i programmi per computer possono modellare questo fenomeno e integrare i dati climatici locali (compresi gli impatti del sito quali ombre e ostacoli fisici) per prevedere il potenziale di guadagno solare per un particolare progetto di edificio nel corso di un anno. Le applicazioni per smartphone basate su GPS ora possono farlo a buon mercato su un dispositivo portatile. Questi strumenti di progettazione forniscono al progettista solare passivo la capacità di valutare le condizioni locali, gli elementi di progettazione e l’orientamento prima della costruzione. L’ottimizzazione delle prestazioni energetiche normalmente richiede un processo di progettazione e valutazione di perfezionamento iterativo. Non esiste un progetto di costruzione solare passiva universale “universale” che funzioni bene in tutte le località.

Livelli di applicazione
Molte case suburbane distaccate possono ottenere riduzioni delle spese di riscaldamento senza cambiamenti evidenti al loro aspetto, comfort o usabilità. Questo viene fatto usando una buona collocazione e il posizionamento della finestra, piccole quantità di massa termica, con isolamento buono ma convenzionale, agenti atmosferici e una fonte di calore supplementare occasionale, come un radiatore centrale collegato a uno scaldacqua (solare). I raggi solari possono cadere su un muro durante il giorno e aumentare la temperatura della sua massa termica. Questo irradierà poi calore nell’edificio la sera. È possibile utilizzare l’ombreggiatura esterna o una barriera radiante più spazio d’aria per ridurre il guadagno solare estivo indesiderato.

Un’estensione dell’approccio “solare passivo” alla cattura solare stagionale e allo stoccaggio di calore e raffreddamento. Questi progetti tentano di catturare il calore solare della stagione calda e di convogliarlo in un deposito termico stagionale per utilizzarlo mesi dopo durante la stagione fredda (“solare passivo annualizzato”). Lo stoccaggio maggiore si ottiene impiegando grandi quantità di massa termica o accoppiamento di terra. Rapporti aneddotici suggeriscono che possono essere efficaci ma non è stato condotto alcuno studio formale per dimostrare la loro superiorità. L’approccio può anche spostare il raffreddamento nella stagione calda. Esempi:

Passive Annual Heat Storage (PAHS) – di John Hait
Riscaldamento annualizzato geotermico solare (AGS) – di Don Stephen

Terra-tetto
Una casa “puramente passiva” riscaldata dal sole non avrebbe alcuna unità di fornace meccanica, basandosi invece sull’energia catturata dal sole, solo integrata da energia termica “accidentale” emessa da luci, computer e altri apparecchi specifici del compito (come quelli per cucina, intrattenimento, ecc.), la doccia, le persone e gli animali domestici. L’uso di correnti d’aria di convezione naturale (piuttosto che dispositivi meccanici come i ventilatori) per far circolare l’aria è correlato, sebbene non strettamente alla progettazione solare. Il design passivo dell’edificio solare a volte utilizza limitati controlli elettrici e meccanici per azionare serrande, persiane isolanti, tende, tende o riflettori. Alcuni sistemi richiedono piccoli ventilatori o camini riscaldati a energia solare per migliorare il flusso d’aria convettiva. Un modo ragionevole per analizzare questi sistemi è misurando il loro coefficiente di prestazione. Una pompa di calore potrebbe utilizzare 1 J per ogni 4 J erogando un COP di 4. Un sistema che utilizza solo una ventola da 30 W per distribuire uniformemente 10 kW di calore solare attraverso un’intera casa dovrebbe avere un COP di 300.

La progettazione passiva di edifici solari è spesso un elemento fondamentale di un edificio a zero energia economico. Sebbene un ZEB utilizzi più concetti di progettazione di edifici solari passivi, uno ZEB di solito non è puramente passivo, avendo sistemi meccanici attivi di generazione di energia rinnovabile come: turbine eoliche, fotovoltaico, micro idroelettrico, geotermico e altre fonti energetiche alternative emergenti.

Progettazione solare passiva sui grattacieli
C’è stato un recente interesse nell’utilizzo delle grandi quantità di superficie sui grattacieli per migliorare la loro efficienza energetica complessiva. Poiché i grattacieli sono sempre più diffusi negli ambienti urbani, ma richiedono grandi quantità di energia per funzionare, esiste un potenziale per grandi quantità di risparmio energetico che impiegano tecniche di progettazione solare passiva. Uno studio, che ha analizzato la proposta della 22 torre Bishopsgate a Londra, ha rilevato che una riduzione del 35% della domanda energetica può essere ottenuta teoricamente tramite guadagni solari indiretti, ruotando l’edificio per ottenere una ventilazione ottimale e la penetrazione della luce diurna, utilizzo di materiale per pavimentazioni di massa termica elevata per ridurre la fluttuazione della temperatura all’interno dell’edificio e utilizzare vetri vetrati a bassa emissività doppia o tripla per un guadagno solare diretto. Indirect solar gain techniques included moderating wall heat flow by variations of wall thickness (from 20 to 30 cm), using window glazing on the outdoor space to prevent heat loss, dedicating 15–20% of floor area for thermal storage, and implementing a Trombe wall to absorb heat entering the space. Overhangs are used to block direct sunlight in the summer, and allow it in the winter, and heat reflecting blinds are inserted between the thermal wall and the glazing to limit heat build-up in the summer months.

Another study analyzed double-green skin facade (DGSF) on the outside of high rise buildings in Hong Kong. Such a green facade, or vegetation covering the outer walls, can combat the usage of air conditioning greatly – as much as 80%, as discovered by the researchers.

In more temperate climates, strategies such as glazing, adjustment of window-to-wall ratio, sun shading and roof strategies can offer considerable energy savings, in the 30% to 60% range.