Focus del mese. Schermature Solari e involucro

Le schermature solari sono il necessario complemento alle superfici trasparenti consentendo la regolazione della luce e il controllo della radiazione solare diretta nelle diverse stagioni dell’anno e contribuendo alla riduzione dei carichi termici. La schermatura dell’involucro di un edificio può essere considerata la prima e fondamentale strategia utile al fine di controllare efficacemente la radiazione solare diretta e bloccare parzialmente la radiazione diffusa e riflessa

Decreti e normative per le schermature solari

Il tema del comportamento dell’involucro trasparente con schermature ha assunto un’importanza rilevante dopo il 2015, con l’introduzione nel Decreto interministeriale 26 giugno 2015 (Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici) dei requisiti minimi e dei parametri di EP_C,nd (indice di prestazione termica utile per il raffrescamento) e A_sol,est (area solare equivalente estiva).

Le recenti normative hanno dato quindi sempre più rilevanza alle schermature solari come soluzione tecnologica e costruttiva fondamentale per evitare il surriscaldamento estivo, riconoscendo e confermando il loro ruolo fondamentale nell’ambito dell’efficienza energetica. Infatti, una posizione importante nella mediazione energetica, luminosa ed acustica fra ambiente esterno ed interno spetta alle superfici trasparenti dell’involucro, che assumono un ruolo essenziale nella percezione qualitativa dell’architettura, con il loro aspetto e con il loro rapporto con le superfici opache, determinando di fatto la composizione del prospetto di un edificio.

L’evoluzione della schermatura

Le aperture finestrate ed i sistemi di schermatura sono stati oggetto di una lunga e continua evoluzione, passando da una semplice funzione di protezione dalle intrusioni di persone o animali, a quella di filtro con l’ambiente esterno e, in particolare, di controllo della ventilazione, dell’illuminazione, del rumore e della radiazione solare, controllo particolarmente impegnativo quando le aperture si sono evolute in ampie superfici estese anche a tutta la facciata. Proprio negli ultimi anni si è assistito ad un progressivo aumento del rapporto tra superfici vetrate e opache, favorito in parte anche dal continuo miglioramento delle loro prestazioni.

I sistemi di schermatura si presentano come il necessario complemento alle superfici trasparenti. Mentre queste ultime consentono l’ingresso di luce all’interno degli ambienti, le schermature ne consentono la regolazione al fine di ottenere una illuminazione ottimale degli ambienti interni, forniscono la necessaria protezione contro fenomeni di abbagliamento e controllano l’ingresso della radiazione solare diretta nelle diverse stagioni dell’anno, contribuendo alla riduzione dei carichi termici da contrastare con gli impianti di climatizzazione nei periodi più caldi.

Strategia di controllo

La schermatura dell’involucro di un edificio è, pertanto, la prima e fondamentale strategia utile al fine di controllare efficacemente la radiazione solare diretta e bloccare parzialmente la radiazione diffusa e riflessa. È opportuno ricordare che la radiazione solare globale che può interessare una superficie è la somma di radiazione diretta, diffusa e riflessa, dove per diretta si intende la radiazione che attraversa l’atmosfera e giunge direttamente sulla superficie terrestre, per diffusa quella che raggiunge il suolo terrestre da tutte le direzioni a causa di processi atmosferici di riflessione e diffusione, e per riflessa la quota parte della radiazione solare incidente riflessa dalla superficie terrestre per effetto dell’albedo.

In generale, il controllo della radiazione solare può essere ottenuto attraverso: dispositivi di ombreggiatura, orientamento e geometria dei vani finestra, controllo delle proprietà di superfici opache e trasparenti, progettazione urbana (valutazione del contesto ambientale e dell’ombreggiamento da parte di edifici vicini), utilizzo di vegetazione (piantumazione di alberi, etc.).

In particolare, i dispositivi installati all’esterno sono i più efficaci nel prevenire il surriscaldamento degli edifici, intercettando la radiazione solare prima che essa sia in grado di essere trasmessa all’interno di un edificio. Schermature interne con rivestimento riflettente della faccia rivolta verso l’esterno possono riflettere parte della radiazione solare incidente verso l’esterno, ma trasferiscono anche parte del calore acquisito all’ambiente interno per convezione. E’ naturale che, sebbene i sistemi di schermatura debbano fornire una buona protezione solare durante la stagione estiva, essi non devono ostacolare la possibilità di sfruttare i potenziali guadagni solari nella stagione invernale, così come non devono compromettere l’illuminazione naturale, né impedire la ventilazione naturale. Se adeguatamente progettati per il particolare tipo di edificio, la latitudine e il contesto climatico, i sistemi di schermatura possono effettivamente contribuire al miglioramento di illuminazione naturale e talvolta di ventilazione, oltre a garantire una molteplicità di possibili soluzioni sotto l’aspetto dell’espressione architettonica.

Dispositivi di schermatura

La già richiamata tendenza verso la costruzione di edifici con ampie superfici vetrate ha creato l’esigenza di integrare dispositivi di schermatura e ombreggianti sempre più sofisticati ed elaborati, in grado di mutare la loro inclinazione/configurazione a seconda delle condizioni esterne. Tali edifici, soggetti a un’intensa radiazione solare e a un conseguente incremento di carichi termici e fenomeni di abbagliamento e discomfort luminoso, possono essere efficacemente schermati con soluzioni che possono incidere anche considerevolmente sul costo complessivo dell’involucro, spesso ricorrendo a dispositivi automatizzati la cui affidabilità e costo di manutenzione possono avere una incidenza economica non trascurabile nel lungo termine. Tuttavia, se le esigenze di schermatura vengono adeguatamente affrontate nelle prime fasi di progettazione, semplici dispositivi di ombreggiamento montati internamente ed esternamente alla facciata possono proteggere efficacemente anche ampie superfici trasparenti e, se progettati anche per una ottimizzazione dell’ingresso di luce naturale, sono in grado di contribuire al miglioramento delle condizioni di illuminazione ambientale interna.

I dispositivi di schermatura esterni possono bloccare la componente diretta della radiazione (normalmente la più importante) e ridurre l’impatto delle componenti diffusa e riflessa, ma possono anche influenzare l’illuminazione naturale degli ambienti, l’abbagliamento e la visibilità verso l’esterno. Le condizioni climatiche, la tipologia e la destinazione d’uso di un edificio influenzano l’importanza relativa di questi fattori: ad esempio, il guadagno solare diretto può essere gradito in una residenza durante la stagione invernale, ma sgradito in alcune aree di un ospedale in qualsiasi momento, indipendentemente dalla stagione.

Schermature verdi

La piantumazione con alberi, vegetazione e arbusti a copertura del terreno e schermatura delle facciate è stata tradizionalmente utilizzata in molte aree europee, così come gli aggetti orizzontali sono un sistema di ombreggiatura fisso tradizionale comune nei climi caldi. Su una facciata con esposizione sud, essi possono bloccare con efficacia la radiazione estiva nelle ore più calde, consentendo comunque lo sfruttamento della radiazione solare nella stagione invernale, quando il sole è più basso sull’orizzonte. La pergola tradizionale della regione mediterranea è un sistema altamente efficiente e pratico che fornisce ombreggiatura attraverso l’uso di rampicanti. La piantumazione selettiva può ombreggiare non solo finestre e altre aperture, ma anche intere facciate e tetti, riducendo i guadagni di calore conduttivo e radiativo. Gli schermi coperti da piante rampicanti possono considerarsi dei dispositivi automatici di regolazione termica naturale, fornendo raffrescamento e ombra in estate e consentendo l’irraggiamento solare nella stagione invernale. Infatti, essi creano delle zone di compensazione termica e di protezione dalle escursioni termiche. La funzione bioclimatica svolta da questo tipo di verde consiste nel miglioramento del comfort termico estivo degli spazi aperti protetti, attraverso la riduzione della trasmissione della radiazione solare. In secondo luogo, essi possono contribuire a ridurre il carico termico nella parte di edificio che risulta ombreggiata, incidendo sulla temperatura degli spazi interni.

Le tradizionali persiane esterne, comuni in area mediterranea, sono elementi di ombreggiamento molto efficaci, ma possono essere anche efficienti sistemi di reindirizzamento della luce negli ambienti interni (se con lamelle regolabili, la posizione orizzontale riduce con successo gli apporti di calore solare, consentendo al tempo stesso l’illuminamento e la ventilazione degli ambienti).

In definitiva, è possibile affermare che i sistemi di schermatura sono in grado di svolgere una molteplicità di funzioni, la più evidente delle quali è la protezione dalla radiazione solare diretta e dal conseguente accumulo indesiderato di calore all’interno dell’edificio.

In tal senso, l’ombreggiamento dell’involucro dell’edificio e delle superfici trasparenti riduce direttamente il fabbisogno energetico necessario per il suo raffrescamento, specie in ambito di edifici di tipo residenziale. Infatti, ad esclusione di edifici con destinazione d’uso commerciale o terziaria, caratterizzati da carichi termici interni significativi dovuti ad apparecchiature ed illuminazione, l’apporto dovuto alla radiazione solare è quello che ha la maggiore incidenza sul fabbisogno per la climatizzazione estiva. In particolare, la componente di radiazione diretta è più influente di quella diffusa e, poiché ha una direzionalità ben definita, essa può essere efficacemente intercettata dai dispositivi di schermatura esterni. Le componenti diffusa e riflessa possono essere più difficili da controllare e sono spesso modulate in modo più efficace dai dispositivi di schermatura interni o in intercapedine (l’efficacia della maggior parte delle schermature interne nel ridurre i rientri di calore, tuttavia, è limitata).

L’importanza della distribuzione luminosa

Tuttavia, come già anticipato, è fondamentale considerare che, sebbene il fabbisogno per la climatizzazione estiva possa essere ridotto attraverso sistemi di schermatura, l’utilizzo di tali sistemi può anche comportare una riduzione del livello di illuminazione naturale diurna e, quindi, un incremento dei consumi dovuti all’impianto di illuminazione artificiale: è pertanto fondamentale che il sistema di schermatura sia in grado di distribuire la luce in modo uniforme in tutto lo spazio, ovvero di ridurre l’abbagliamento nella zona delle finestre e di aumentare l’illuminamento nelle zone più distanti dalla facciata.

Sono quindi particolarmente utili i dispositivi di schermatura in grado di reindirizzare e ridistribuire la luce in profondità nel corpo di fabbrica. I differenti sistemi utilizzabili hanno un obiettivo in comune: migliorare l’uniformità dell’illuminazione in tutto l’ambiente interno, in genere ridistribuendo la luce dall’area della finestra fino in profondità nell’ambiente illuminato, evitando anche potenziali punti di abbagliamento. Alcuni test hanno dimostrato che gli utenti tollerano livelli di luce complessivamente più bassi purché si evitino aree eccessivamente luminose e relativamente buie: quando la luce è distribuita uniformemente in tutto lo spazio, le persone sono meno propense ad utilizzare l’impianto di illuminazione artificiale, anche quando i livelli di luce effettivi sono inferiori a quelli ideali.

Classificazione delle schermature

Le schermature possono essere classificate in più tipologie. Con riferimento alla posizione dell’elemento schermante rispetto al componente trasparente si possono distinguere le seguenti tipologie principali:

• sistemi interni (fissi o mobili). Tali sistemi, che sono normalmente i più economici e facilmente manutenibili, permettono una facile regolazione da parte dell’utente e consentono di adeguare in ogni momento l’azione schermante (della radiazione solare diffusa e soprattutto diretta) alle effettive condizioni di irraggiamento solare. Di contro l’attenuazione del carico termico ottenibile è minore rispetto ai sistemi di schermatura esterni;
• sistemi esterni (fissi o mobili). Questi sistemi consentono un controllo efficace dei carichi termici, offrono una buona schermatura alla radiazione diffusa ma soprattutto diretta, consentono la possibilità di regolare manualmente o automaticamente la loro posizione e orientamento in funzione dell’angolo di incidenza dei raggi solari nelle diverse stagioni. Essi devono essere robusti e resistenti all’azione degli agenti atmosferici. I costi di installazione e manutenzione sono più elevati rispetto ai sistemi interni, soprattutto in caso di presenza di dispositivi di controllo automatico della posizione e dell’orientamento, ma a livello architettonico possono contribuire ad arricchire esteticamente il prospetto di un edificio;
• sistemi in intercapedine (fissi o mobili). Questi sistemi consentono un buon controllo della radiazione luminosa, contribuendo anche alla distribuzione uniforme della luce all’interno degli ambienti, e permettono di limitare il surriscaldamento interno tipico dei mesi estivi. Anche in questo caso i costi di installazione possono essere elevati in caso di presenza di dispositivi di controllo automatico della posizione e dell’orientamento.

La scelta del sistema di schermatura (che può anche essere una combinazione di schermature esterne, interne o in intercapedine) è determinata dall’ubicazione dell’edificio e del sito, dall’orientamento, dal tipo e dall’uso dell’edificio, dalle condizioni del cielo (le componenti della radiazione solare diretta, diffusa e riflessa), ecc. I dispositivi fissi sono spesso preferiti per la loro semplicità, robustezza, bassa manutenzione e costi di costruzione generalmente inferiori. Essi sono in grado di schermare il sole estivo, mentre permettono lo sfruttamento della radiazione solare in inverno, ma possono ridurre significativamente l’illuminazione diurna in condizioni di cielo coperto. I dispositivi di schermatura mobili sono più flessibili, potendosi adattare alla posizione del sole sull’orizzonte e consentono un migliore controllo della radiazione diffusa e dell’abbagliamento. Inoltre, essi possono essere utilizzati in modo che l’accesso della luce in condizioni di cielo coperto in inverno non sia ostacolato.

Sistemi continui e discontinui

Considerando la configurazione geometrica dello schermo è possibile un’ulteriore classificazione in sistemi continui e discontinui. I primi comprendono gli aggetti, sia orizzontali che verticali, e i light-shelves. Sono costituiti da elementi opachi formanti un’unica superficie schermante senza interruzioni. Sono capaci di assicurare la schermatura totale della radiazione solare incidente nella direzione e secondo gli angoli per cui sono progettati. I secondi invece sono costituiti da una serie di lamelle opportunamente orientate in modo da schermare la radiazione solare incidente, consentendo il passaggio di flussi di aria e il conseguente smaltimento del calore che si accumula in corrispondenza della superficie trasparente.

I sistemi di schermatura solare fissi con elementi posti in orizzontale offrono buone prestazioni nell’applicazione su facciate rivolte a sud, mentre le loro prestazioni diminuiscono notevolmente nel caso di impiego su facciate rivolte a est e a ovest dove è invece preferibile l’impiego di elementi di schermatura di tipo mobile.

I sistemi con elementi mobili offrono maggiori vantaggi nei giorni nuvolosi dove è possibile orientare le lamelle o pale per massimizzare l’illuminazione naturale degli ambienti. I sistemi di schermatura possono inoltre essere efficacemente integrati con elementi fotovoltaici, che assumono in tal caso una doppia funzione: l’effetto di schermatura viene infatti abbinato con lo sfruttamento della radiazione solare per la produzione di energia elettrica, evitando allo stesso tempo effetti di “self-shading” dovuti alla propria geometria. L’inserimento nel prospetto di un edificio deve risultare armonioso ed il design deve essere studiato in modo da permettere il semplice alloggiamento dei cablaggi elettrici.

Tessuti schermanti

I sistemi di schermatura possono utilizzare sia elementi rigidi (lamelle metalliche, lignee, in materiale ceramico, etc.) sia particolari tessuti. Tra questi ultimi quelli più performanti sono i tessuti tecnici. Esistono diverse tipologie di tessuti tecnici che vengono impiegati per la realizzazione di tende da posizionare, internamente o esternamente, alle superfici trasparenti. Alcuni tessuti vengono alluminizzati su un lato: questo processo consiste nel depositare un leggero strato di alluminio sulla faccia esterna ottenendo una maggiore riflessione della radiazione incidente, senza ostruire i pori o inspessire il tessuto, assicurando prestazioni costanti al variare del colore del tessuto.

 I tessuti utilizzati nella realizzazione di schermature esterne devono avere elevata resistenza meccanica a trazione e resistenza allo strappo: il tessuto infatti può essere sottoposto a sollecitazioni particolarmente elevate dovute all’azione degli agenti atmosferici. Le notevoli proprietà meccaniche rendono questi tessuti adatti anche in casi dove le sollecitazioni possono essere molto elevate, quali la schermatura di superfici inclinate, dove è necessario applicare una trazione forzata per assicurare il corretto posizionamento in esercizio della schermatura. Gli “screen” utilizzabili in esterno sono prodotti con diverse percentuali di foratura in modo da poter essere applicabili su tutti i fronti di un edificio assicurando omogeneità estetica e differenti prestazioni per le diverse esposizioni.

Sistemi di deflessione

I sistemi geometrici di deflessione della radiazione solare incidente, integrati ad esempio all’interno di un vetrocamera, possono classificarsi allo stesso tempo come sistemi per il miglioramento dell’illuminazione naturale e sistemi di schermatura per la riduzione degli apporti solari. Essi sfruttano la loro forma per deflettere e riflettere la radiazione solare incidente e riescono a garantire una notevole variabilità delle proprietà ottiche in funzione dell’angolo della radiazione solare incidente. Tali profili possono agire semplicemente schermando la radiazione solare incidente oppure schermando e deviando verso l’alto la radiazione solare (in tal caso però non si limitano gli apporti solari termici), migliorando l’illuminazione naturale degli ambienti interni e riducendo anche i consumi legati all’illuminazione artificiale. L’impiego di questi sistemi di schermatura deve essere opportunamente valutato in relazione alla latitudine del sito, all’esposizione delle facciate in cui se ne prevede l’utilizzo e considerando gli effetti che può comportare la variazione dell’altezza solare durante l’arco della giornata.

Tra le soluzioni più diffuse, i pannelli prismatici sono considerati sistemi passivi in grado di fornire una buona protezione solare a mezzo di una deflessione della radiazione solare incidente sul piano di facciata. Spesso sono inseriti all’interno di un doppio vetro sigillato ma possono essere applicati anche su superfici vetrate. L’inserimento in intercapedine garantisce una maggiore protezione dall’umidità e una maggiore rigidità meccanica. In questo caso non è richiesta nessuna manutenzione se non la pulizia delle superfici in vetro mentre, qualora l’elemento prismatico fosse in posizione esposta, occorrerebbe maggiore cautela in fase di pulizia per non danneggiare le superfici ottiche e quindi comprometterne l’efficienza.  

Tra i sistemi di schermatura utilizzati nelle moderne soluzioni di facciata, i materiali in grado di passare da uno stato trasparente a uno traslucido sfruttano una delle proprietà adattative più diffusamente utilizzate per regolare la trasmissione della luce visibile e della radiazione solare. Il passaggio di condizione da trasparente a traslucida influenza direttamente i carichi termici e il dimensionamento dei sistemi di climatizzazione attivi.

Soluzioni rinnovabili

Le soluzioni oggi disponibili per la realizzazione di involucri opachi e trasparenti ad altre prestazioni sono molteplici e derivano dall’evoluzione che prodotti e sistemi costruttivi hanno avuto nel corso degli ultimi anni. La scelta di dotare un edificio di un involucro di tipo adattivo rappresenta una delle possibili soluzioni per garantire una risposta efficace alle variazioni climatiche esterne e ottenere condizioni ambientali interne ottimali, sia a livello stagionale, sia durante l’arco della giornata. A tal fine, l’involucro edilizio diviene un ambito di sperimentazione particolarmente promettente, ad esempio per lo sfruttamento di fonti di energia rinnovabile e sistemi di schermatura.