Accumulo di energia nella massa termica degli edifici
L'efficienza energetica consiste nell'utilizzare meno energia per ottenere lo stesso risultato. Il free cooling è un processo che sfrutta la diminuzione della temperatura esterna durante la notte come fonte naturale per il raffrescamento, riducendo in tal modo il consumo di energia da parte dell'unità di raffrescamento. L'efficienza energetica e il free cooling, sono entrambi il risultato essenziale dell'utilizzo dell'accumulo di energia nella massa termica degli edifici. Sfruttando la massa termica degli edifici per accumulare energia durante la notte, è possibile beneficiare di entrambi i vantaggi senza penalizzare il clima interno.
Come costruire edifici a basso consumo energetico
La gestione termica dei perimetri di una stanza può svolgere un ruolo importante per quanto riguarda l'efficienza energetica di un edificio. Uno dei modi per costruire edifici ad alta efficienza energetica è quello di utilizzare materiali con un'elevata massa termica, optando per soluzioni come strutture con solai in cemento.
Le case passive, ad esempio, si avvalgono di un metodo di costruzione molto compatto che conferisce all'edificio un'elevata resistenza alle temperature fredde e calde, in modo da non doverlo riscaldare o raffrescare immediatamente quando il tempo cambia. Per costruire edifici a basso consumo energetico e realizzare planimetrie meno compatte, corpi di fabbrica multipli o ampie facciate vetrate, è necessario utilizzare materiali da costruzione con grande capacità termica.
La scelta dei materiali influisce sulla capacità di un edificio di accumulare e rilasciare energia da/verso la sua costruzione e la sua massa termica. Un esempio semplice è quello di confrontare una casa con una struttura in cemento con una casa in legno: in una torrida giornata estiva le temperature interne differiscono enormemente tra l'una e l'altra. La casa in cemento possiede un'elevata capacità termica ed è in grado di assorbire una grande quantità di energia termica, cosa che non avviene per la casa in legno.
Accumulo di energia nella massa termica degli edifici
L'energia viene rilasciata o accumulata quando c'è una differenza di temperatura tra la costruzione in cemento e l'ambiente interno. Quando l'aria interna è calda, il cemento regola la temperatura della stanza e riduce così il consumo di energia degli altri sistemi di comfort termico.
Non appena il cemento è caldo, l'energia accumulata può essere rilasciata nell'ambiente interno. Tuttavia, i movimenti naturali dell'aria in una stanza non sono sufficienti per sfruttare appieno il potenziale energetico della costruzione. Per rendere più efficace lo scambio di energia con la stanza e ridurre al minimo la necessità di fonti aggiuntive, è necessario aumentare il movimento dell'aria lungo la superficie del cemento o lo scambio di energia per irraggiamento. Esistono, inoltre, delle soluzioni idroniche per l'attivazione del cemento o degli scambiatori di calore interni per l'estrazione dell'energia dalla massa.
Capacità termica
Tutti i corpi possiedono un'inerzia termica, chiamata anche capacità termica. Oltre al coefficiente termico* (c) di ciascun materiale, o mix di materiali, il grado di conversione dell'energia (Q) in calore (T) dipende anche dalla massa (m) di un corpo. Considerata l'equazione in gioco, risulta evidente che, a parità di energia immessa, i corpi con una massa elevata si riscaldano meno di quelli con una massa ridotta.
Al giorno d'oggi, la massa degli edifici continua ad aumentare, e questo, per far fronte a brevi periodi di caldo o di freddo senza dover ricorrere a un ulteriore regolazione del clima interno o all'utilizzo di fonti energetiche aggiuntive. Gli edifici costruiti in modo molto solido, come le chiese antiche, tendono a mantenere una temperatura stabile nonostante le variazioni stagionali.
Rilascio dell'energia nell'ambiente interno
Come visto precedentemente, l'energia contenuta nella struttura in cemento può essere rilasciata in una stanza quando la temperatura di questa differisce da quella del cemento. Al contrario, occorre sottolineare che una parte dell'energia di una stanza viene trasmessa alla struttura non appena la massa di cemento è più calda o più fredda della temperatura interna. La percentuale di energia assorbita può essere aumentata previa termoregolazione del cemento. Ad esempio, si può raffrescare un solaio in cemento durante le ore notturne quando il costo dell'energia è più basso o tramite free cooling, aumentando così la capacità del cemento di accumulare calore durante il giorno, allorché l'ambiente interno si riscalda.
Per sfruttare al meglio questo fenomeno, bisogna però evitare di separare la struttura in cemento dall'ambiente interno tramite sistemi di isolamento come i rivestimenti in lana di roccia per solai, perché influiscono negativamente sull'efficacia dell'accumulo di energia nella massa termica. Inoltre, è bene ricordare che, in generale, la temperatura interna nel corso della giornata oscilla entro un certo range, ad esempio, da circa 20 °C nelle prime ore di lavoro in ufficio a un massimo di 25 °C durante il giorno, con conseguente variazione giornaliera dell'assorbimento di energia.
Sul mercato esistono diversi prodotti che utilizzano il principio dell'accumulo di energia nella massa termica. Di seguito, presenteremo quattro diversi tipi di prodotti con i loro principali vantaggi e svantaggi.
Attivazione della massa ad acqua
L'attivazione della massa ad acqua si ha quando un sistema è a diretto contatto con il solaio in cemento attraverso le sue tubazioni dell'acqua. Questo metodo consente di raffreddare o riscaldare efficacemente il cemento, grazie al contatto diretto tra i tubi e quest'ultimo. Tuttavia, questo metodo influisce sulla capacità di raffrescamento del suddetto sistema: questo, essendo montato direttamente a soffitto, non consente all'aria interna di entrare in contatto con il cemento che, altrimenti, consentirebbe un ulteriore raffreddamento.
L'acqua scorre nelle tubazioni in serie e attraverso il sistema a soffitto riscaldando il cemento e la stanza in modalità riscaldamento. Se c'è una richiesta di riscaldamento quando la stanza è vuota o il carico termico è limitato (ad esempio in una giornata nuvolosa), si rischia un effetto di surriscaldamento nel caso in cui la stanza si riempia di persone o esca il sole. Infatti, in questo caso, la capacità del solaio in cemento di assorbire più energia termica sarebbe limitata. Tuttavia, poiché la temperatura interna nella maggior parte degli edifici tende a ridursi durante la notte, il cemento è normalmente in grado di accumulare il calore della stanza se questa è riscaldata o se ci sono persone presenti.
Attivazione della massa termica per termoregolazione del nucleo di cemento
La termoregolazione del nucleo di cemento è forse l'esempio più semplice di attivazione della massa termica, perché questo metodo prevede semplicemente l'integrazione dei tubi dell'acqua nel solaio in cemento al momento della costruzione. Le tubazioni dell'acqua e la struttura dell'edificio sono quindi a diretto contatto e l'energia può essere facilmente scambiata con la struttura in cemento.
Questo metodo previene efficacemente il surriscaldamento, ma consente capacità di raffrescamento e riscaldamento notevolmente inferiori rispetto ai sistemi radianti a soffitto menzionati in precedenza. Inoltre, quando il carico termico nella stanza cambia, occorre molto più tempo prima che si percepisca una variazione del clima interno, poiché l'energia deve attraversare l'intera massa di cemento prima di avere un effetto sulla temperatura interna. D'altra parte, questa tecnica è poco flessibile anche per quanto riguarda il posizionamento di luci, sprinkler e pannelli fonoassorbenti a soffitto.
Attivazione della massa termica per irraggiamento
Un altro tipo di attivazione della massa termica è quello basato sull'irraggiamento. Il soffitto radiante è un sistema che viene montato a una certa distanza dal solaio in cemento e l'irraggiamento di energia calda o fredda consente l'accumulo nella massa del solaio in cemento. Tuttavia, lo spazio tra i due elementi tende a limitare l'attivazione.
Attivazione della massa termica tramite l'aria
Questo metodo di attivazione della massa termica prevede di guidare il flusso d'aria nella stanza attraverso lo spazio vuoto tra il solaio in cemento e il soffitto radiante montato a una certa distanza dal solaio. Quando l'aria calda della stanza passa attraverso questo spazio durante la giornata, viene raffreddata sia dal cemento più freddo che dal soffitto radiante. Qui, l'aria circola a una velocità abbastanza elevata, il che comporta un maggiore coefficiente di trasmissione del calore e un grande assorbimento di energia termica da parte del cemento.
In genere, il flusso d'aria viene ridotto o spento durante la notte. L'energia accumulata nel solaio in cemento durante il giorno viene diffusa di notte nella stanza per convezione e irraggiamento. Per garantire il massimo effetto, occorre evitare i rivestimenti per soffitti in lana di roccia o in materiali isolanti simili. È inoltre importante sottolineare che l'efficacia di questo metodo varia a seconda della distribuzione del flusso d'aria. È preferibile che il flusso d'aria sia uniformemente distribuito su tutta la superficie del soffitto e circoli dalla facciata, che tende ad essere più calda, verso la zona del corridoio. Si consiglia inoltre di seguire il movimento naturale dell'aria nella stanza, per amplificare l'effetto di accumulo di energia nella massa ed evitare le correnti d'aria.
Accumulo nella massa termica e consumo di energia
Come abbiamo visto, esistono diversi sistemi climatizzanti in grado di garantire una buona temperatura interna in modo efficiente dal punto di vista energetico. Per quanto riguarda i sistemi di raffrescamento con attivazione della massa termica, un soffitto radiante può funzionare esclusivamente di notte sfruttando il free cooling. Questo metodo è possibile quasi tutto l'anno, esclusi i periodi di grande caldo. Tuttavia, anche durante questi periodi, il consumo di energia nel corso della giornata è notevolmente ridotto, poiché l'energia può essere accumulata nella massa termica dell'edificio al fine di essere riutilizzata. Ciò significa che il COP* del sistema di raffrescamento è molto più alto di notte che di giorno. L'aumento del COP del suddetto sistema riduce notevolmente il consumo di energia elettrica del processo di raffrescamento. Ma non appena il free cooling diventa possibile, il processo di raffrescamento non ha più bisogno di energia elettrica, tranne che per la pompa, e questo comporta una significativa riduzione delle emissioni di CO2.
* Coefficiente di prestazione
Soffitti radianti e clima interno
Il raffrescamento o il riscaldamento tramite il soffitto radiante garantisce un buon clima interno, a condizione che il sistema venga installato, messo in funzione e controllato correttamente. Nel caso di una soluzione di riscaldamento, il calore emesso dai sistemi radianti a soffitto riscalda gli oggetti e le superfici nella stanza, che a loro volta irradiano calore nell'ambiente creando un clima interno confortevole. La tecnica è diversa se si tratta di una soluzione di raffrescamento. L'aria calda sale per poi raffreddarsi tramite il sistema radiante a soffitto, poi ridiscende nella zona della stanza occupata dalle persone. In entrambi i casi, i sistemi radianti a soffitto creano un clima interno uniforme e ideale per il benessere termico delle persone presenti.
Vedi la nostra referenza, SXB in Berlin, Germany
Scopri i nostri soffitti radianti