principi e sistemi di architettura bioclimatica
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7/24/2019 Principi e Sistemi Di Architettura Bioclimatica
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Principi e Sistemi di Architettura Bioclimatica
Ing. F. Bigi, Ing. A. Carosi
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Pri
ncipie
sistemidiarch
itettura
bio
climatica
Progettare bioclimaticamente
utilizzare le caratteristiche dellambiente esterno perraggiungere il benessere nellambiente costruitodiminuendo il consumo di fonti energetiche nonrinnovabili e limpatto sullambiente.
Il consumo viene suddiviso in tre fasifondamentali:
la produzione dei materiali da costruzione,
la realizzazione degli organismi edilizi
la gestione energetica di essi
La progettazione bioclimatica vuole sfruttare, per ognifase del processo edilizio, fonti energetiche rinnovabili,
nonch tutti gli accorgimenti e sistemi che da una parteminimizzino il consumo e le dispersioni degli edifici,riducendone il fabbisogno energetico, e dallaltraottimizzino le potenzialit dei materiali di costruzione edellambiente nel quale sorge ledificio
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Ledilizia influisce nelconsumo di energia inun paeseindustrializzato come ilnostro per almeno il
40%.
Emissione di CO2 nelresidenziale
EDILIZIAINDUSTRIA
TRASPORTI
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Consumo energetico di uffici tipici in Gran Bretagna.
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climatica
Lo sfruttamento di sistemi di risparmio e approvvigionamentoenergetico basati sullo studio dellambiente e delle risorse
direttamente disponibili nel sito di costruzione stato, finoallavvento delle fonti non rinnovabili, lunico modo di mitigarelinfluenza delle condizioni climatiche avverse allinterno degliambienti costruiti.
Lalta efficienza delle fonti non rinnovabili, unita ad un iniziale bassocosto di approvvigionamento, ha reso possibile da parte diprogettisti poco attenti al contesto ambientale un affidamento totalea questo tipo di risorse e per garantire il benessere climatico
allinterno degli edifici, con conseguente accantonamento diconoscenze e tecniche considerate da parte di molti superate
Lenergia nella gestione dellorganismo edilizio vieneutilizzata principalmente per la produzione di calorenecessario al riscaldamento degli ambienti e dellacqua aduso sanitario, per ottenere il raffrescamento e per laproduzione di elettricit da utilizzare per uso domestico e in
impianti meccanici e di illuminazione.
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sistemidiarch
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bio
climati
ca
Abitazione ipogea a Tungkwan, Cina: latemperatura interna di 15 gradiinferiore a quella esterna in estate e 10gradi superiore in inverno.
La rotonda di A. Palladio, Vicenza (1566).
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Sede della BarclaycardNorthampton - Regno Unito:Fitzroy Robinson Limited.
Mont-Cenis Academy Herne Sodingen-architetti.Jourda e HHs Planer+Architekten BDA.
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Per fonti energetiche rinnovabili si intendono quelle che sirinnovano con grande rapidit, superiore o comunque comparabile
a quella con la quale lenergia viene consumata; per esempio il sole,il vento, le risorse idriche (per piccoli sfruttamenti), le risorsegeotermiche, le maree, il moto ondoso e le biomasse (legno emateriali organici)
Secondo la Legge n.10 del 9 gennaio 1991, Norme per lattuazione del Pianoenergetico nazionale in materia di uso razionale dellenergia, di risparmio energetico
e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia (G.U. n.13 del 6 gennaio 1991):
fonti rinnovabili(art.1, comma 3)
il soleil ventolenergia idraulicale risorse geotermichele maree e il moto ondosola trasformazione dei rifiuti organici ed inorganici o di prodotti vegetali
fonti assimilabili alle rinnovabilicogenerazione (produzione combinata di energia elettrica o meccanica e calore)calore recuperabile nei fumi di scarico, da impianti termici ed elettrici e da processiindustriali altre forme di energia recuperabile in processi, in impianti e in prodottirisparmi di energia nella climatizzazione e nell'illuminazione degli edifici (interventisia sull'involucro edilizio che sugli impianti)
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Principie
sistemidiarch
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In edilizia lutilizzo di fonti rinnovabili per intervenire nel controllodel comfort e quindi del riscaldamento, raffrescamento eilluminazione degli ambienti costruiti pu avvenire attraverso due
tipi di sistemi:
- sistemi attivi- sistemi passivi
I sistemi attivi captano,accumulano e utilizzanolenergia proveniente da fontirinnovabili con una tecnologia
di tipo impiantistico
Nei sistemi passivi a differenza di quelliattivi ledificio stesso che, attraverso i
suoi elementi costruttivi, capta,accumula e trasporta al suo interno
lenergia ricavata da fonti rinnovabili.
La progettazione di un organismo architettonico con criteripassivi implica un organizzazione di tutto lo spazio e dei suoielementi in funzione di unottimizzazione delle risorse ambientalicon importanti conseguenze architettoniche:
1. fronti larghi verso sud nel nostro emisfero2. forte presenza di aperture vetrate per captare il sole3. chiusura verso il fronte nord per diminuire i disperdimenti4. alto isolamento dellinvolucro
5. sfruttamento delle ventilazioni
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RAPPORTO EDIFICIO - AMBIENTE
Studio dellambiente naturale
individuazione dellaposizione geografica
fascia climatica diappartenenza
parametri meteorologici
morfologia
materiali del luogo
Studio dellambiente costruito
Orientamento delledificio nellotto
asse eliotermico
asse equisolare
asse nord - sud
materiali da costruzione
influenze tra edifici
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sistemidiarch
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climati
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individuazione dellaposizione geografica
determinazione della
posizione del solerispetto alla terramediante laltezza,precisata dallangolo edallazimut
MESI
ORE
SOLARI
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Principie
sistemidiarchitettura
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fascia climatica diappartenenza
Nella progettazione
bioclimatica ci che interessa il microclima e il climalocale, direttamenteinfluenzati dallecaratteristiche del luogo
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Principie
sistemidiarchitettura
bio
climatica
I fattori meteorologici principali sono:
la temperatura ovvero lo stato termico dellatmosfera;
le precipitazioni quali pioggia, neve, grandine, brina erugiada;
la pressione atmosferica;
lumidit relativa intesa come rapporto tra quantit di vaporeacqueo presente nellatmosfera e la quantit massima chepotrebbe esservi contenuta in condizioni di saturazione;lo stato del cielo;
il regime dei venti;
la radiazione solare come flusso di energia emessa dal sole inun unit di tempo su di un metro quadrato di superficie(kW/m2h).
Fattori meteorologiciprincipali
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Principie
sistemidiarchitettura
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climatica
Tutti quegli elementi che pur non intervenendodirettamente alla formazione del clima, influenzano ilmicroclima locale con la loro presenza e natura e sonoprincipalmente:la natura del suolo ai fini della porosit e dellariflessione dei raggi solari;
la presenza e luso del verde per eventualiombreggiature, influenza sulla ventilazione,sullinquinamento acustico e sulla salubrit dellaria;la presenza di acqua per gli effetti di mitigazionedegli sbalzi di temperatura e linfluenza nellumiditrelativa del sito.
elementi per il calcolo dellestensione ottimaledelle superfici riflettenti orizzontali
posizione delle alberature per ottenere unefficace ombreggiamentoI materiali del luogo
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Principie
sistemidiarchitettura
bio
climatica
Studio dellambiente costruito
estensione della scia di edifici aforma parallelepipeda dilunghezza variabile, con direzionedel vento perpendicolare allefacciate pi lunghe.
sezione verticale della scia di unedificio a forma parallelepipeda,
al variare dellaltezza , condirezione del ventoperpendicolare alle facciate pilunghe
Lambiente costruito influisce attraverso i materiali dacostruzione e la presenza e conformazione del tessutourbano in funzione alla posizione e densit degli edificilimitrofi per la loro influenza sulle ombre, sui venti esulle temperature locali;
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Studio dellambientecostruito
localizzazione di un edificio in un contestocostruito in relazione al vento.
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Principie
sistemidiarchitettura
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Orientamento delledificio nel lotto
orientazionenord - sud.
diagramma delvalore eliotermico
orientazioneequisolare
Lorientamento indica il punto cardinale verso ilquale rivolta una facciata di riferimento.
Nel corso della storia dellarchitettura sonostati numerosi gli studi sullorientamentoottimale.
nel 1920 da Rey e Pidoux per
Parigi come asse diorientamento di un pianoverticale che riceve durantelanno lo stesso valoreeliotermico sulle due facce, ilvalore eliotermico venivacomputato moltiplicando le oredi sole di insolazione di una
facciata per la temperaturamedia dellaria
nel 1940 proposto da Vinaccianasceva dalla preoccupazionedi perequare l'effetto termicoper quattro esposizioni anzichper due sole, ipotizzandotipologie edilizie a quattroorientamenti anzich due.
NOOSOSSEENEN
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Principie
sistem
idiarchitettura
bio
climatica
Ai fini di un guadagno dienergia radiante dal fatto chenel nostro emisfero larcoapparente formato dal solenella volta celeste si svolgein direzione sud, deriva che ilfronte a meridione quelloottimale per il guadagnotermico solare, viceversa ilfronte nord investito dai ventifreddi sar quello pi
suscettibile alle dispersionitermiche
xxxcorpi scala
xxxxxterrazze
xxxripostiglio
xxxbagni
xxxxambientipluriuso
xxxlavanderia
xxxcucina
xxxxxpranzo
xxxxsoggiorno
xxxxxcamere daletto
NOOSOSSEENEN
Per latitudini superiori a 35 N e in
particolare per la situazione italiana, possibile quindi identificare degliorientamenti preferibili
St di d lli l
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Principie
sistem
idiarchitettura
bio
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Norman Foster- Liceo Polivalente-
Frejus, 1991-93
Studio dellinvolucro
Ai fini di una progettazione bioclimatica si deve porre laccento sulla necessit diavere gli elementi opachi isolati termicamente e sulla particolare importanza cherivestono gli infissi e le aperture in genere.
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idiarchitettura
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Principie
sistem
idiarchitettura
bio
climatica
Schermature ad elementi verticali.
le condizioni di benessere,
soprattutto in climi caldi, sono
assicurate da un adeguato
movimento dellaria negli ambienti;tale ventilazione dipende dal tipo di
apertura e dalla sua posizione.
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idiarchitettura
bio
climatica
In edilizia lutilizzo di fonti rinnovabili per intervenire nel controllodel comfort e quindi del riscaldamento, raffrescamento e
illuminazione degli ambienti costruiti pu avvenire attraverso duetipi di sistemi:
- sistemi attivi- sistemi passivi
I sistemi attivi captano, accumulano eutilizzano lenergia proveniente da fontirinnovabili con una tecnologia di tipo
impiantistico
Controllo naturale
Riscaldamento IlluminazioneRaffrescamento
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Principie
sistem
idiarchitettura
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climatica
Cenni sulla trasmissione del calore
la conduzione, attraverso corpi solidi a differente temperatura; ai fini dellaqualit del calore trasmesso con andamento ciclico, come avviene per le paretidellinvolucro edilizio, molto importante leffetto della massa degli elementi,che contribuir ad abbassare la differenza tra temperatura massima e minimae a ritardarne lafflusso
la convezione, metodo di trasmissione dellenergia termica allinterno di unfluido che si attua attraverso il trasferimento fisico della parte di fluido picalda che per differenza di densit si porta verso lalto spostando la parte difluido pi fredda, questa riscaldandosi a sua volta si alterner con la partespostatesi precedentemente innescando un moto detto convettivo. In ediliziasi sfruttano le capacit isolanti dellaria, questa in effetti risulta isolante solo
se asciutta e ferma, questo possibile confinandola attraverso spessori ridottial di sotto dei 4 5 cm, accorgimento usato nelle pareti a cassetta.
lirraggiamento, forma elettromagnetica di trasmissione dellenergia valido percorpi non a contatto diretto tra loro; il calore una volta assorbito viene
riemesso sotto forma di onda termica.Es.:il vetro risulta trasparente alle onde elettromagnetiche corte della luce maopaco alle onde lunghe della radiazione termica, si determina quindi unriscaldamento degli ambienti direttamente irraggiati dal sole, questo fenomenoviene chiamato effetto serra.
Riscaldamento
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Uso dellenergia solare
Termico
energia solare caloresi distinguono dalla posizione e funzionamento
dei componenti:
collettori, accumulatori, distribuzione e controllo.
Fotovoltaico
energia solare e. elettrica
Riscaldamento
sistemi attivi
en. captata, accumulata ed utilizzata
con apparecchiature di tipo impiantistico.
sistemi passivi
en. captata, accumulata ed utilizzata
grazie ad elementi delledificio stesso.
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Il riscaldamento con i sistemi solari passivi
Combinazione di 4 elementi:
1. Lo spazio da riscaldare;2. Il collettore, consiste in una superficie vetrata integrata;3. Un assorbitore, consiste in una superficie opaca di colore scuro
posizionata dietro il vetro che assorbe la radiazione solare e laconverte in calore;4. Laccumulo, costituito da uno o pi materiali di elevata capacit
termica che possono immagazzinare calore per poi ricederlo neimomenti in cui l'edificio non direttamente riscaldato dal sole;
5. I sistemi di controllo della radiazione solare. Possono essereelementi isolanti che riducono le perdite di calore notturne; elementiombreggianti che riducono lirraggiamento in estate; ecc.
sistemi passivi
a guadagno diretto
a guadagno indiretto
a guadagno separato
Sistemipassivi
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Sistemipassivi
Sistemi a guadagno diretto
La radiazione entra direttamente nello spazio da
riscaldare mediante ampie superfici trasparenti esi converte in calore.
Le superfici dellambiente dotate di grandeinerzia termica assorbono il calore in eccesso
rilasciandolo nelle ore notturne.Collettore ed accumulatore coincidono con ilocali abitati
Ledificio deve essere dotato di aperture orientate
verso il sole e fortemente coibentato nelle zonenon esposte
Grande influenza architettonica
Serve solo i vani esposti
prevedere lapertura diffusa degli ambienti vetrati e
la loro schermatura nel periodo estivo.
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Sistemipassivi
Sistemi a guadagno indiretto
Collettore ed accumulatore fanno parte dellinvolucro delledificio e trasmettonoanche per conduzione
Muro di Trombe - Michel
Parete ad accumulo
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Sistemipassivi
Collettore ed accumulatoresono una parete vetrata edun paramento massivo omuro dacqua
Muro di Trombe - Michel
Basso rendimento
Problemi di manutenzioneChiusura del fronte
Serve solo lambiente collegato
Basso costo di installazione
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Sistemipassivi
Parete ad accumulo
Funziona come i sistemi di Trombema senza scambi di natura
convettiva
Rendimento minore
Evita cambi indesiderati di flusso
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Sistemipassivi
Il funzionamento pi efficiente si ha quando:
La serra posta a sud;
separata dal resto dellabitazione da una
parete di accumulo.Il trasferimento dellaria calda pu avvenire :
Per conduzione mediante superfici vetrate trai due ambienti;
Per conduzione mediante le pareti opache;
Per trasferimento mediante apposite aperture
Sistemi a spazio solare le serre
Il surriscaldamento deve essereevitato:
Per forma;
Con elementi ombreggianti.
Ventilazione con aperture alla base ealla sommit (0,1 mq di apertura per
ogni mq di sup. vetrata)
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Sistemiattivi
Solare TermicoPer scaldare l'acqua si utilizzano degli
impianti costituiti da:
collettori solari,accumulo di acqua calda,eventuale centralina di regolazione.
Il principio di funzionamento si basa sul
riscaldamento dell'acqua all'interno deitubi di un assorbitore isolatotermicamente sul retro ed ai lati eprotetto superiormente con uno o duevetri.L'acqua viene riscaldata dal sole e
trasferita all'interno dell'accumulo oattraverso una pompa di circolazione(circolazione forzata) o sfruttando ilprincipio del termosifone (circolazionenaturale).I collettori solari possono essere di
diversi tipi:1. collettori piani (i pi comuni)2. collettori a tubo vuoto (di forma
cilindrica, pi costosi ma pi efficienti)3. collettori ad accumulo integrato (oltre a
riscaldare l'acqua hanno incorporatol'accumulo pere l'acqua calda).
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Sistemiattivi
Solare Termico
Un metro quadrato di collettore solare pu scaldare a 4560 C tra i 40 ed i300 litri d'acqua in un giorno a secondo dell'efficienza che varia con lecondizioni climatiche e con la tipologia di collettore
un collettore solare termico per la produzione di acqua calda sanitariadimensionato correttamente viene progettato per soddisfare il 6065% delfabbisogno termico
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Sistemiattivi
Solare Termico - confronto dei consumi
nel passaggio dalla soluzione con scaldabagno elettrico a quella concaldaia a gas integrata da collettori solari, il consumo energeticoprocapite passa da 4,93 a 0,87 kWh e porta ad una riduzionedell'82% del consumo energetico, a parit di servizio reso.
Nel confronto tra il sistema basato sull'integrazione di collettoresolare con una caldaia a gas e la caldaia stessa, si nota come ilconsumo passi da 2,18 kWh, per il caso della sola caldaia, a 0,87kWh, per il sistema integrato. Nel passaggio dal solo scaldabagnoelettrico ad uno scaldabagno integrato da collettori solari, ilconsumo energetico scende da 4,93 a 1,97 kWh.
(Fonte Ministero dellAmbiente)
S l T i f t i
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Sistemiattivi
Solare Termico - confronto consumi
Nel caso dei collettori solari il costo al metro quadro poco indicativo, Ilvero costo deve essere correlato alla quantit di acqua caldaprodotta in un anno.
Es: Una famiglia di 4 persone che consuma 5060 litri di acqua calda apersona ogni giorno, per un totale di 80100 mila litri annui spendecirca 1 milione per riscaldare l'acqua con energia elettrica e
750.000 se la scalda con caldaia a metano.Se l'impianto solare integra la caldaia per un 6070% il risparmio annuooscilla tra 500 e 700 mila lire ed in 5 anni si ammortizza una spesadi 2,5 3,5 milioni di lire. Le agevolazioni statali consentono,inoltre, di detrarre dalle tasse parte delle spese di acquisto e diinstallazione.
Nuove tecnologie sistemi integratiLa caldaia a condensazioneAlimentata a metano. Abbassa l temperatura dei fumi, recuperando una
percentuale (10%) del calore che altrimenti andrebbe perso. Ha unrendimento del 108 %con una riduzione dei consumi del 30% circa
rispetto alle caldaie ad alto rendimento.Si utilizza sia per il riscaldamento sia perla produzione di acqua calda
sanitaria.Pu essere integrata con pannelli solari termici (costo a partire da
10.000 )
(Fonte Ministero dellAmbiente)
S l T i i li i
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Sistemiattivi
Solare Termico - inclinazione
Solare Termico orientamento
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Sistemiattivi
Solare Termico - orientamento
Solare Fotovoltaico
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Sistemiattivi
Solare Fotovoltaico
L'impianto fotovoltaico basato su moduli fotovoltaici (ciascuno di potenza tra i30 e i 100 Wp, a tensione continua di 12 o 24 V) collegati in serie o inparallelo.Ogni modulo dotato di un diodo (un dispositivo che permette il passaggiodella corrente in una sola direzione) per evitare che il modulo si trasformida generatore a dissipatore di energia.Se si richiede corrente alternata necessario inserire un'apparecchiaturadetta inverter in grado di trasformare la corrente continua in alternata.
1mq = 120 W di picco
(Fonte Ministero dellAmbiente)
Un dispositivo fotovoltaico in grado di
trasformare direttamente la lucesolare in energia elettrica,sfruttando il cosiddetto effettofotoelettrico.
Il principio di funzionamento sibasa sulla propriet che hannoalcuni materiali semiconduttoriopportunamente trattati come ilsilicio di fornire energia elettricaquando sono colpiti da radiazione
solare.
Solare Fotovoltaico (Fonte: ENEA)
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Sistemia
ttivi
Solare Fotovoltaico
Il modulo FV tradizionale costituito dalcollegamento in serie di36 celle, per ottenere unapotenza in uscita pari acirca 50 Watt, ma oggi,anche fino a 200 Watt perogni singolo modulo.
A seconda della tensionenecessariaall'alimentazione delleutenze elettriche, pimoduli possono poiessere collegati in serie
in una "stringa". Lapotenza elettrica richiestadetermina poi il numerodi stringhe da collegare inparallelo per realizzare
finalmente un generatorefotovoltaico.
(Fonte: ENEA)
Solare Fotovoltaico (Fonte: ENEA)
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Sistemia
ttivi
Solare Fotovoltaico
Il trasferimento dell'energia dal
sistema fotovoltaicoall'utenza avviene attraversoulteriori dispositivi,necessari per trasformare edadattare la corrente continua
prodotta dai moduli alleesigenze dell'utenza finale.Il complesso di tali dispositivi
prende il nome di BOS(Balance of System).
(Fonte: ENEA)
Calcolo dellenergia elettrica in corrente alternata mediamente prodotta
in un anno da 1 kWp di moduli:
1669 kWhel/kWp anno85%1963.7 kWhel/kWp annoTRAPANI
1477 kWhel/kWp anno85%1737.4 kWhel/kWp annoROMA
1167 kWhel/kWp anno85%1372.4 kWhel/kWp annoMILANO
= Elettricit prodotta mediamentein un anno in corrente alternata
X efficienza delBOS
Elettricit prodotta mediamentein un anno in corrente continua
Solare Fotovoltaico
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Sistemia
ttivi
Solare Fotovoltaico (Fonte: ENEA)
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Sistemia
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Solare Fotovoltaico (Fonte: ENEA)
Emissioni evitate da un kWp di moduli nel tempo di vita degli impianti
26587kg CO230anni1043kg CO20,531kg CO2/kWhel1669.7kWhel/kWpTrapani
23529kg CO230anni922kg CO20,531kg CO2/kWhel1477.4kWhel/kWpRoma
18590kg CO230anni729kg CO20,531kg CO2/kWhel1167.4kWhel/kWpMilano
= Emissioni evitatenel tempo di vita
X Tempo divitadellimpianto
= Emissionievitate inun anno
X Fattore del mixelettrico italiano
Energia elettricagenerata in c.a. inun anno
Solare Fotovoltaico
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Solare Fotovoltaico