principi e sistemi di architettura bioclimatica

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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Pri

ncipie

sistemidiarch

itettura

bio

climatica

Ledilizia influisce nelconsumo di energia inun paeseindustrializzato come ilnostro per almeno il

40%.

Emissione di CO2 nelresidenziale

EDILIZIAINDUSTRIA

TRASPORTI


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Pri

ncipie

sistemidiarch

itettura

bio

climatica

Consumo energetico di uffici tipici in Gran Bretagna.


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Pri

ncipie

sistemidiarch

itettura

bio

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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Pri

ncipie

sistemidiarch

itettura

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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Pri

ncipie

sistemidiarch

itettura

bio

climati

ca

Sede della BarclaycardNorthampton - Regno Unito:Fitzroy Robinson Limited.

Mont-Cenis Academy Herne Sodingen-architetti.Jourda e HHs Planer+Architekten BDA.


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Pri

ncipie

sistemidiarch

itettura

bio

climati

ca

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

itettura

bio

climati

ca

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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Principie

sistemidiarch

itettura

bio

climati

ca

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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Principie

sistemidiarch

itettura

bio

climati

ca

individuazione dellaposizione geografica

determinazione della

posizione del solerispetto alla terramediante laltezza,precisata dallangolo edallazimut

MESI

ORE

SOLARI


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Principie

sistemidiarchitettura

bio

climati

ca


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Principie


bio

climati

ca

fascia climatica diappartenenza

Nella progettazione

bioclimatica ci che interessa il microclima e il climalocale, direttamenteinfluenzati dallecaratteristiche del luogo


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Principie


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


bio

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


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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Principie


bio

climatica

Studio dellambientecostruito

localizzazione di un edificio in un contestocostruito in relazione al vento.


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Principie


bio

climatica

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

climatica

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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Principie

sistem

idiarchitettura

bio

climatica


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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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Principie

sistem

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

bio

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 )


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


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)



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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



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Sistemia

ttivi


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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Sistemia

ttivi

Solare Fotovoltaico

principi e sistemi di architettura bioclimatica

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