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Performance of envelope: an innovative energy system

Authors:
  • Università degli Studi della Campania "Luigi Vanvitelli"

Abstract

In the field of applied research in construction, the constant request from the production's sector and the persisting both European (Directive 2010/31/EU and 2012/27/UE) and national (Legislative Decree 63/13, LD 115/ 09, LD 28/11) normative indications require testing of technology solutions for envelope ever more efficient in terms of energy and the environment. The conversion of locally generated energy from renewable sources assumes a particularly important role in the energy balance of the building-plant system. In this respect, the paper illustrates the results of technological experimentation conducted within the SEEM (Solar Eco - efficient Envelope Model) Project, funded in 2011 by the Ministry of Environment. The project involved the study of a combined system of solar and wind chimney, architecturally integrated into an envelope systems of the tertiary sector, in order to produce electricity and heat from renewable sources. The study proposes the performance analysis of the SEEM system's components, with particular attention to the thermo-physical relationship between the building and the integrated plant system.
217 TECHNE 07 2014
Involucri performanti: un sistema energetico innovativo
Abstract. Le costanti sollecitazioni provenienti dal mondo della produzione e
le incalzanti indicazioni normative sia a livello europeo (Direttiva 2010/31/UE e
2012/27/UE) che nazionale (DL 63/13, DL 115/09, DLgs 28/11) richiedono,
al settore della ricerca applicata in edilizia, la sperimentazione di soluzioni tec-
nologiche per involucri sempre più performanti dal punto di vista energetico-
ambientale. Un ruolo di particolare importanza, nel bilancio energetico del siste-
ma edificio-impianto, assume la conversione di energia generata localmente da
fonte rinnovabile. A tal riguardo, il contributo illustra gli esiti della sperimentazio-
ne tecnologica condotta nell’ambito del Progetto S.E.E.M. (Solar Eco-efficient
Envelope Model), finanziato nel 2011 dal Ministero dell'Ambiente. Il progetto
ha riguardato lo studio di un impianto combinato di camino solare ed eolico,
architettonicamente integrato a sistemi di involucro del settore terziario, per la
produzione di energia elettrica e termica da fonti rinnovabili. Lo studio propone
l’analisi prestazionale dei componenti del sistema S.E.E.M, con particolare at-
tenzione alle relazioni termofisiche tra edificio e sistema impiantistico integrato.
Parole chiave: Sperimentazione tecnologica, Involucro energeticamente perfor-
mante, Camino solare
Questo scritto muove dai risul-
tati di una ricerca interdiscipli-
nare di architettura e ingegne-
ria: il “Progetto SEEM” (Solar
Eco-ecient Envelope Model), focalizzato su un modello
sperimentale per analizzare l'eetto del usso di calore sullo
scambio termico, in vista di un sistema energetico innovativo
da utilizzare per edici industriali esistenti o nuovi. Dal punto
di vista ingegneristico, sono stati studiati i modelli di usso,
la temperatura e la velocità dell'aria, la connessione a una mi-
croturbina e strategie alternative di conversione dell'energia
cinetica in energia elettrica, con la costruzione di un modello
sperimentale in scala di una porzione del camino di quattro
metri di altezza.
Dal punto di vista architettonico e tecnologico, in una prima
fase, la ricerca è stata intrapresa al "Low Energy Architecture
Research Unit" della London Metropolitan University, muo-
vendo dai fondamenti degli studi pionieristici di Susan Roaf
sul usso d'aria in edici storici, cercando di connettere gli
avanzamenti della ricerca con le performance di alcuni esempi,
in particolare Accordia a Cambridge (di Feilden Clegg Bradley
Studios), il Parliamentary Oces Portcullis House a Londra
(di Michael Hopkins g. 1), la School of Slavonic and East Eu-
ropean Studies di Londra (di Alan Short and Associated g. 2).
Nell’architettura, lo studio dei movimenti d'aria è molte volte
alla base dell'elaborazione dei primi schemi di progetto, deter-
minandone anche l’immagine gurativa dell'edicio. Questo
assunto di partenza può trasferirsi a unità modulari autonome
che possano entrare in relazione con l’edicio incrementando
le prestazioni per ventilazione naturale. Nella nostra ricerca, gli
elementi progettuali rilevanti di un camino (altezza, larghezza,
profondità di cavità e tipologia geometrica delle sezioni oriz-
zontali e verticali) sono stati vericati seguendo una validazio-
ne correlata a tre importanti aree concettuali di progettazione:
giunti, bordi e connessioni.
Le simulazioni sul piano architettonico sono state analizza-
te anche in relazione all'esperienza percettiva, considerando
come le mutevoli condizioni prevalenti dei ussi d'aria pos-
sano, con il loro movimento dinamico, connotare soluzioni
morfologiche alternative che inducano recezioni variabili da
parte dei fruitori.
Le scelte sono state operate in modo interdisciplinare, deci-
dendo quali fossero le più opportune strategie di comporta-
mento bioclimatico e le appropriate soluzioni di dettaglio, per
realizzare un sistema dinamico capace di adattarsi alle condi-
zioni ambientali esterne, che prevedesse anche l’andamento
Performance of
envelope: an innovative
energy system
Abstract. In the field of applied re-
search in construction, the constant re-
quest from the production's sector and
the persisting both European (Directive
2010/31/EU and 2012/27/UE) and na-
tional (Legislative Decree 63/13, LD
115/ 09, LD 28/11) normative indica-
tions require testing of technology so-
lutions for envelope ever more efficient
in terms of energy and the environment.
The conversion of locally generated en-
ergy from renewable sources assumes
a particularly important role in the ener-
gy balance of the building-plant system.
In this respect, the paper illustrates the
results of technological experimenta-
tion conducted within the SEEM (Solar
Eco - efficient Envelope Model) Project,
funded in 2011 by the Ministry of Envi-
ronment. The project involved the study
of a combined system of solar and wind
chimney, architecturally integrated into
an envelope systems of the tertiary
sector, in order to produce electricity
and heat from renewable sources. The
study proposes the performance analy-
sis of the SEEM system's components,
with particular attention to the thermo-
physical relationship between the build-
ing and the integrated plant system.
Keywords: Technological experimen-
tation, Energy active envelope, Solar
Chimney
From the Architecture of air’s
movement towards the SEEM pro-
ject1
e paper moves from the results of
an architectural and engineering in-
terdisciplinary research: the “SEEM
project (Solar Eco-ecient Envelope
Model), which is a research focused
on an experimental model in order to
analyze the eect of heat ux on heat
transfer, in view of an innovative en-
ergetic system to be used for existing
or new industrial buildings.
Under the engineering point of view,
the models of ux, air temperature
and air velocity have been analyzed,
relating them to a small turbine in or-
der to hypothesize alternative strate-
gies of converting kinetic energy into
electricity, with a scale experimental
section model of the chimney, which
is four meters high.
Under the technological point of
view, in the rst phase, the research
has been undertaken at “Low Energy
Architecture Research Unit” of Lon-
don Metropolitan University, starting
from the basis of pioneering studies
of Susan Roaf on air ux into his-
torical buildings. e study connects
the proceedings of the research with
the performances of some buildings,
particularly Accordia in Cambridge
(by Feilden Clegg Bradley Studios),
e Parliamentary Oces Portcullis
RICERCA/RESEARCH
224
ISSN online: 2239-0243 | © 2011 Firenze University Press | http://www.fupress.com/techne
Dall’architettura dei
movimenti d’aria verso
il Progetto SEEM1
Rossella Franchino, Francesca Muzzillo, Antonella Violano
SUN
rossella.franchino@unina2.it
francesca.muzzillo@unina2.it
antonella.violano@unina2.it
07 2014
TECHNE
218 R. Franchino, F. Muzzillo, A. Violano
prestazionale dierente con l’alternarsi del giorno e della notte.
Da tali dati incrociati si sono ricavate le interconnessioni tra
la costruzione e il camino, il disegno della sezione più idonea
ad agevolare il movimento dell'aria e le previsioni prestazionali
delle superci di assorbimento del calore.
Questi aspetti sono rilevanti, perché le soluzioni tecnologiche
sempre connotano l'architettura, specie quando i dettagli ese-
cutivi denunziano con evidenza le dinamiche prestazionali.
Il sistema camino fornisce un quadro chiaro dei processi tecno-
logici, pensati per essere immediatamente compresi e recepiti
nella percezione dell’architettura. Si riprende, in modo diverso,
quel processo di azione diretta e reciproca tra aria e forme ar-
chitettoniche, che certamente non è nuovo.
Ancora oggi, la Villa Baizeau di Le Corbusier costruita nel 1929
rimane l'esempio più emblematico di un’idea architettonica
fondata sulla ventilazione e ci dimostra nuovamente come, in
un processo progettuale, potremmo essere in grado di inter-
pretare le scelte dei sistemi tecnologici come scelte progettuali
capaci di rendere visibili i processi sistemici che caratterizzano
l’edicio.
Poiché la climatizzazione degli
spazi connati in cui si espli-
cano le attività di lavoro e di
residenza si è espansa con una
tendenza di copertura energetica degli edici sia di nuova co-
struzione sia preesistenti, ne consegue il grande interesse per il
risparmio energetico conseguibile. Negli ultimi anni si è riusciti
ad adottare al riguardo normative avanzate che impongono una
valutazione dei bilanci energetici sempre più tendente all’ener-
House in London (by Michael Hop-
kins g.1), e School of Slavonic
and East European Studies in London
(by Alan Short and Associated g. 2).
Contemporary architecture has taken
note of this idea and over and over
again the consideration of air move-
ment is at the basis of rst schemes
elaboration and there is a gurative
image for shaping the building. e
shape of the building rises together
with the preventive quantitative rela-
tion between air movement and the
conduction medium, carrying out
results on natural ventilation. Start-
ing from the relevant design points
of a chimney (height, width, depth of
cavity, type of glazing and geometri-
cal model), research process has been
structured in relation to three rel-
evant design conceptual areas: joints,
borders and connections.
Simulations onto the architectural
plane have been analyzed in relation
to the perceptive experience, con-
sidering mutable prevailing condi-
tions of air ux that, with its dynamic
movement, connotes morphological
aggregation.
e choices have been made in an
interdisciplinary way, deciding which
are the best strategies for both biocli-
matic behavior and gurative image.
So the adequate shape of the chim-
ney has been chosen with regard to
air movement, dierent geometric
variable airow uxes and adaptive
criteria, considering materials’ per-
formances too. Moreover, we have
evaluated dierent performances
during the day and during the night,
height of the head, connections
choices between the building and the
chimney, section choice to encourage
air movement and size of the heat-
absorbing surface. ese aspects are
Evoluzione dei target della
progettazione energetica
degli edici2
01 |
02 |
01 | Portcullis House, nuovo
Parlamento britannico, Londra,
Michael Hopkins, 2001
(Foto di F. Muzzillo)
 TheParliamentaryOfcesPortcullis
House,London,MichaelHopkins
2001(photobyF.Muzzillo)
02 | La scuola di “Slavonic and East
European Studies”, Londra, Alan
Short and Associated, 2002-2006
(Foto F. Muzzillo)
 TheSchoolofSlavonicandEast
EuropeanStudies,London,AlanShort
andAssociated2002-2006
(photobyF.Muzzillo)
219 TECHNE 07 2014
gia negativa, denibile come energia risparmiabile oltre l’azze-
ramento della domanda, pur conseguendo standard ambientali
rilevanti.
A partire dalla prima crisi energetica si è avuta una progressio-
ne abbastanza rapida negli interventi alla frontiera del volume
di controllo dell’edicio per ottenere la prestazione energetica
più idonea.
Nella Tabella 1 viene sintetizzata, in riferimento al periodo
1975-2018, l’evoluzione della tecnologia di frontiera, che con-
sente di raggiungere progressivamente l’obiettivo dell’edicio
a energia negativa, che produce energia più di quanto ne usi.
Al riguardo, di primario rilievo risulta la funzione energetica
dell’involucro che costituisce la frontiera degli scambi tra l’am-
biente esterno ed interno. Tale frontiera, oltre ad assumere la
funzione di adiabatizzare la relazione tra ambiente costruito e
condizioni climatiche, deve riuscire ad essere non solo imma-
gazzinatore e scambiatore di energia, ma anche produttore, al
ne di assicurare un bilancio dei consumi in cui gli edici pro-
ducono più energia di quanta ne consumano. Levoluzione degli
obiettivi e degli interventi di tipo energetico negli edici com-
porta di necessità anche l’esame della compatibilità ambienta-
le degli interventi proposti. Diviene elemento qualicante il
controllo della qualità energetico-ambientale delle reti locali
per consentire che il sistema possa essere integrato nell’ambito
della rete ambientale a scala di edicio.
Il mantenimento delle condi-
zioni microclimatiche di un
edicio dipende essenzialmen-
te dagli scambi termici che
hanno luogo attraverso il suo involucro il quale può opporre
resistenza con ussi termici entranti o uscenti dal volume co-
struito. Per limitare o modulare lo scambio esterno-interno si
può ricorrere ad una conformazione dell’involucro che realiz-
za una particolare frontiera di scambio che viene identicata
come camino solare o più in generale parete collettrice solare.
Questo particolare componente edilizio svolge la funzione di
un captatore solare ad aria che, asportando l’energia assorbita
dal sole, trasporta il calore e lo utilizza come aria calda in parti
dell’edicio dove altrimenti sull’involucro arriverebbe solo l’ir-
radiazione indiretta (diusa e riessa). Per ottenere la massima
captazione la parete irradiata viene esposta a sud, ma consegue
lo stesso risultato con piccole dierenze anche nelle direzioni
tra SE e SO.
Il principio di funzionamento di un camino solare, sintetica-
mente schematizzato nelle gure 3 e 4, è quello di un collettore
R. Franchino, F. Muzzillo, A. Violano
intended to be connected, bearing
in mind the idea that technological
solutions could give expression to
architecture.
In the experimentation works, de-
sign details should be studied with
attention to visible comprehension
of technological systems. e tech-
nologies provide a clear and visible
framework of the way they work, and
technological processes are thought
to be immediately visible and com-
prehensible in architecture itself. It
takes up again, in a dierent way, a
direct and mutual action process
between air and architectural forms,
as the idea of “air” into architecture
is not new. Even today, Villa Baizeau
by Le Corbusier remains the most
emblematic example in which the ar-
chitectural idea seems to be founded
on air ventilation. It shows us again
that in a strategic design process we
may be able to interpret technologies
as design choices and to emphasize
interactions among design and tech-
nologies in a way that let systemic
processes become relevant in the per-
ception.
Evolution of the targets of the en-
ergy design of buildings2
Since the climatization of the con-
ned spaces, where people work and
live has been expanded with a ten-
dency to cover the energy eciency
of both new and existing buildings,
there is a signicant interest in the
achievable energy savings. In recent
years, it has been possible to adopt
advanced regulations that impose
an assessment of the energy balance,
tending more and more towards
negative energy, dened as savable
energy, in addition to reducing the
demand to zero, while achieving sig-
Lo scambio termico
in un involucro
ad eetto camino3
03 | Schema di controllo
ter mostatico
 Conceptualmapofthe
softwarearchitecture
04 | Sch ema di mu r o
 Conceptualmapofthe
softwarearchitecture
03 |
04 |
PERIODO DELLO SVILUPPO TIPO DI INTERVENTO SEZIONI DI INTERVENTO QUALIFICAZIONE
ENERGETICA TECNICHE E TECNOLOGIE
1975 isolamento stagione fredda Involucro energia controllata Resistenza diffusiva
1990 + isolamento stagione calda + impianto energia limitata Resistenza radiativa
2000 + recuperi termici e frigoriferi + scambi termovettori energia zero + scambi da uidi termovettori in
accumuli naturali
2018 + recuperi gas, calore, elettricità + scambi fotovoltaici, eolici energia negativa +, piccole idro derivazioni,
biomasse
TAB 1 | Evoluzione della ricerca per minimizzare i consumi energetici nell’edilizia
Evolutionoftheresearchtominimizeenergyconsumptioninbuildings
TAB 1 | 
07 2014
TECHNE
220
ad aria. Si cerca di assicurare la captazione di energia solare
irradiata sulla supercie dell’involucro edilizio per ottenerne
energia. La radiazione solare diretta subisce un’interferenza
che dà luogo ad assorbimento termico in una supercie me-
tallica ad alta diusività, che delimita un canale il quale a sua
volta cede calore ad aria in movimento convettivo naturale che
per gradiente di densità si sposta dal basso verso l’alto in pre-
senza di gravità.
Secondo la funzione termica che si vuole soddisfare viene de-
nito il comportamento energetico della parete. Nel caso del
camino solare bisogna massimizzare la captazione di energia, il
riscaldamento dell’aria e lo spostamento in canale.
Pertanto per massimizzare la quota di energia di radiazione so-
lare che una parete assorbe bisogna:
– esporre la parete nell’orientamento opportuno;
– inclinare adeguatamente la parete;
– disporre anteriormente una lastra di vetro che ottenga un ele-
vato isolamento diusivo e assicuri una suciente resistenza
meccanica all’urto, scarsa adesività della polvere e comunque
facile lavabilità del vetro;
– caratterizzare adeguatamente il vetro per farne variare l’emis-
sività, l’assorbitività e la riettività.
La sperimentazione tecnolo-
gica, condotta nella seconda e
terza fase del Progetto SEEM
(Modello di Involucro Solare
Eco-eciente), ha avuto un
duplice obiettivo: da un lato individuare le caratteristiche ter-
mosiche dei componenti del sistema in modo che garantis-
sero le migliori prestazioni energetiche, dall’altro studiare gli
eetti (prevalentemente termici) del sistema sull’edicio indu-
striale a cui andrebbe integrato.
Il sistema solare sperimentale a eetto camino è stato proget-
tato come una doppia pelle isolata da porre in adiacenza ad
edici industriali (esistenti o di nuova costruzione), per riqua-
licarne i fronti ciechi soleggiati e dare all’edicio il valore ag-
giunto di “produttore di energia rinnovabile”.
Nel progetto il sistema non raggiunge il suolo, ma è alto da ter-
ra 2 m5, sia per favorire la ventilazione naturale nell’intercape-
dine d’aria senza turbolenze dovute alla presenza di ostruzioni
a livello del suolo, sia per non interferire con la movimentazio-
ne di mezzi e macchinari operanti nell’area antistante il capan-
none industriale6.
La ricerca tecnologica è stata orientata a determinare, in prima
battuta, le caratteristiche dei componenti del sistema, in modo
che fosse massima la componente termica della radiazione
solare incamerata dalla supercie esterna vetrata, fortemente
assorbente.
Inizialmente la struttura del sistema SEEM era stata progettata
interamente vetrata ed era stata studiata una stratigraa che
prevede (in ordine: dallo spazio aperto verso l’edicio):
STRATO 1 (componente esterno trasparente autoportante7):
vetrocamera strutturale con prolo a U (4-8-4 mm con aria)
basso-emissivo, che consente la massima trasmissione in in-
gresso della radiazione infrarossa verso il canale d'aria (U= 2.3
W/mqK; FS= 74%), la minima riessione della radiazione in-
frarossa verso l'ambiente esterno (RE=17%) e la massima con-
servazione dell’energia termica entrata nell’intercapedine (pa-
rametri evidenziati con le frecce blu nell’immagine che segue);
R. Franchino, F. Muzzillo, A. Violano
Le prestazioni energetiche
dell’involucro solare:
criteri di selezione dei
componenti ecienti4
nicant environmental standards.
Ever since the rst energy crisis,
there has been fairly rapid progress
in the most advanced interventions
on the volume control of the build-
ing in order to obtain a more suitable
energy performance.
Table 1 summarizes, in reference to
the period 1975-2018, the evolution
of the most advanced technologies
which make it possible progressively
achieve the goal of the negative en-
ergy building, with it producing more
energy than it uses. us, the energy
function of the envelope is of primary
importance, with it forming the bar-
rier of the exchanges between the
external and internal environment.
In addition to assuming the function
of balancing the relationship between
the built environment and climatic
conditions, this barrier must store and
exchange energy, but it must be also
an energy producer, in order to bal-
ancing of consumptions in buildings
which produce more energy than they
consume. e evolution of the energy
objectives and interventions in build-
ings necessarily involves examining
the environmental compatibility of
the proposed interventions. e con-
trolling of energy and environmental
quality of the local networks becomes
a signicant element in order to allow
the system to be integrated within an
environment network at the scale of
the building.
Heat exchange in a chimney eect
envelope3
e maintenance of the microclimate
of a building depends essentially on
the thermal exchanges that take place
through its casing that can resist in-
coming or outgoing heat ow with
the built volume. In order to limit
or modulate the internal-external
exchange, it is possible to resort to a
casing conformation that has a par-
ticular exchange barrier, known as a
solar chimney or, in general, a solar
wall collector.
is particular building component
has the function of an air solar col-
lector that, removing the energy ab-
sorbed from the sun, carries the heat
and uses it as hot air in parts of the
building where the casing would only
be reached by indirect radiation (dif-
fused and reected). For maximum
uptake, the irradiated wall is exposed
to the south, but has the same result
with small dierences in directions
between SE and SW.
e operation principle of a solar
chimney, summarized schematically
in Figures 3 and 4, is that of an air
collector. It tries to ensure the cap-
ture of solar radiation reaching the
surface of a building casing in order
to obtain the diusive heat to be
transmitted to the whole building or
its parts. Direct solar radiation un-
dergoes interference, which gives rise
to thermal absorption in a high dif-
fusivity metal surface, which delimits
a channel, which in turn transfers
heat to the air in a natural convec-
tion movement that density gradient
move from bottom to top in the pres-
ence of gravity.
e energy behaviour of the wall is
dened according to the thermal
function that is required. In the case
of the solar chimney, the uptake of
energy, heating the air and the move-
ment in the channel and with diu-
sion grids must be maximized.
erefore, in order to maximize the
amount of solar radiation energy that
a wall absorbs, the following should
be done:
221 TECHNE 07 2014
STRATO 2: intercapedine naturalmente ventilata di 20 cm, con
condizioni di aderenza minima, al ne di ridurre il usso turbo-
lento all'interno del sistema.
Relativamente al terzo strato, in aderenza all’edicio, sono stati
progettati sistemi alternativi per vericare quale soluzione tec-
nologica fosse la più compatibile con l’edicio esistente. Pertan-
to, sono state vericate due soluzioni, valutate a confronto:
STRATO 3a (componente interno trasparente autoportante):
con le stesse caratteristiche dello strato 1, istallato in modo spe-
culare;
STRATO 3b (componente interno trasparente autoportante):
vetrocamera (4-8-4 mm con argon 90%) basso-emissivo e a con-
trollo solare, che consente una trasmissione della radiazione in-
frarossa verso l’edicio a norma di legge (U= 1.6 W/mqK; FS=
24%) e una massima riessione della radiazione infrarossa verso
il canale d’aria (RE=48%).
Ma dalle analisi tecnologiche e bioclimatiche, la quantità di ca-
lore ceduto dal sistema SEEM all’edicio posto in adiacenza è
risultato un parametro signicativo perché, essendo l’edicio
ubicato in area mediterranea, diventa particolarmente rilevante
individuare una soluzione che non determini eetti negativi sul-
le condizioni di comfort interno nella stagione estiva, e in par-
ticolare sulla temperatura dell’aria interna (Norma UNI10375).
È stata quindi studiata una terza soluzione, lo STRATO 3c (com-
R. Franchino, F. Muzzillo, A. Violano
- expose the wall in the appropriate
orientation;
- tilt the wall properly;
- have before a glass sheet that ob-
tains a high diusive insulation and
ensure a sucient mechanical impact
strength, poor adhesion of dust as
well as easy wash ability of the glass;
- adequately characterize the glass
to make it change the emissivity, ab-
sorptivity and reectivity.
e energy performance of solar
envelope: criteria selecting ecient
components4
e technological experimentation,
conducted in the second and third
phases of the SEEM (Model Hous-
ing Solar Eco-ecient) Project, had
a double objective: both to identify
the thermo-physical properties of
the components of the system, in
order to ensure the best energy per-
formance, and to study the eects
(mainly thermal) of the system on
the industrial building.
e experimental solar chimney has
been designed as an insulated dou-
ble skin, to be placed adjacent to the
industrial (existing or new construc-
tion) buildings, in order to redevelop
the sunny facades and give the “re-
newable energy producer" added
value.
In the project, the system does not
come from the ground, but it is high
from the ground 2 m5, in order to fa-
cilitate the passage of natural air into
the channel, without turbulence due
to the presence of obstructions at
ground level. In addition, this limits
the interferences of the system with
the movement of vehicles and ma-
chinery in the external area of the
industrial building6.
e technological research has been
aimed to determine, in the rst in-
stance, the characteristics of the
system components, so that it maxi-
mizes the thermal component of so-
lar radiation, coming into the outer
glazed surface, which is absorbent.
Initially, the SEEM system was de-
signed fully glazed and a stratigra-
phy was studied, which provides (in
order: from the open space to the
building):
LAYER 1 (external transparent
self-supporting component7): low-
emission structural U-prole double
glazing (4-8-4 mm with air), which
allows maximum transmission of the
incoming infrared radiation into the
air channel (U = 2.3 W / mqK, SF =
74 %), minimum reection of infra-
red radiation towards the external
environment (RE = 17 %) and maxi-
mum conservation of thermal energy
incoming in the cavity (parameters
highlighted with blue arrows in the
below picture).
LAYER 2: ventilated cavity of 20 cm,
with minimum grip conditions in or-
der to reduce turbulent ow within
the system.
Relatively to the inner layer, in ad-
herence to the building envelope,
dierent alternative layers have been
designed. e objective is to verify
what technological solution is more
energy ecient and compatible with
the existing building, which must
not be damaged by the thermal load
transmitted by the system.
erefore, the two solutions, evalu-
ated in comparison, are:
LAYER 3a (internal transparent self-
supporting component) with the
same characteristics of the layer 1,
specularly positioned;
LAYER 3b (internal component
transparent self-supporting): low -
Sperimentazione
del prototipo e analisi
dei risultati
05 | 05 | Caratteristiche prestazionali
del primo strato
 Averageconformitytorequirements
ofassessedelements
07 2014
TECHNE
222 R. Franchino, F. Muzzillo, A. Violano
06-08 | Guadagni passivi dell’edicio industriale
 Schemeofthemethodologyused:theresourcesofthevar
Layer 1Layer 2Layer 3
ponente interno opaco, ancorato all’edicio): pannello in poli-
stirene prenito di colore chiaro (Assorbimento Solare = 0,135),
dello spessore di 10 cm, trattato con rasante anticondensa ter-
mico-riettente, che consente la minima trasmissione della ra-
diazione infrarossa verso l’edicio (Trasmittanza=0.40 W/mqK;
Attenuazione= 0.15; Sfasamento= 12h) e la massimizzazione
dell’eetto serra verso il canale d’aria.
È stata fatta, inoltre, una verica variando il solo colore del terzo
strato, ipotizzandolo scuro (Assorbimento Solare = 0,835) ed è
stato vericato che la Radiazione solare assorbita raggiunge pic-
chi di 2226 Wh/mq.
La sperimentazione è stata condotta con il soware Autodesk
Ecotect Analisys 2011.
Per studiare i soli eetti termici del sistema SEEM sull’edicio
esistente, nel Bilancio Energetico sono stati annullati gli eetti
della ventilazione, delle inltrazioni interno/esterno e dei gua-
dagni interni (ricambi d’aria e apporti gratuiti pari a zero). An-
che gli apporti solari sono uguali a zero, in quanto il modello
proposto per la simulazione ha un involucro totalmente opaco.
Inoltre, nel calcolo della radiazione solare incidente sull’edicio,
si è deciso di escludere il “fattore suolo8 e di analizzare solo la
radiazione solare diretta.
I fattori valutati per stabilire il livello di interferenza termica del
sistema sono:
– esposizione solare su base giornaliera e mensile, ripartita per
tutte le componenti della luce della radiazione solare;
– analisi termica, con particolare attenzione alla componente
sole-aria.
06 |
09 |
07 |
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11 |
09-1 | Radiazione solare assorbita
 Schemeofthemethodologyused:theresourcesofthevar
Layer 1Layer 2Layer 3
emissivity and solar control double
glazing (4-8-4 mm with argon 90%),
which allows the minimum trans-
mission of infrared radiation toward
the building (U = 1.6 W / mqK; SF
= 24 %) and the maximum reection
of infrared radiation towards the air
channel (RE = 48% ).
But by the technology and bioclimat-
ic analysis, the amount of heat trans-
ferred from the adjacent building
SEEM system is a signicant param-
eter. In fact, the building is located in
the Mediterranean area, so it is par-
ticularly important to nd a solution
that does not determine negative ef-
fects on the internal comfort condi-
tions in summer, and in particular on
the internal air temperature (Norma
UNI10375).
us, a third solution was studied,
the LAYER 3c (internal component
opaque, anchored to the building):
prenished white color polystyrene
panel of 10 cm, treated with a re-
ective anti-condensation thermal
coating, which allows the minimum
transmission of the infrared radia-
tion towards the building (Transmit-
tance = 0.4 W / mqK , Attenuation: =
0.15 ; Oset = 12h) and the maximi-
zation of the greenhouse eect to the
air channel.
In addition, changing only the color
of the third layer (Solar Absorption =
0.835), we veried that the absorbed
solar radiation reaches peaks of 2226
Wh / m².
e experimentation has been con-
ducted with the soware Autodesk
Ecotect Analysis 2011.
In order to study only the thermal
eects of the SEEM system on the
existing building, in the Energy
Balance, the eects of ventilation,
inltration of internal / external
223 TECHNE 07 2014
Il sistema SEEM, progettato
per produrre energia sfruttan-
do il naturale moto ascensionale dell’aria nel “camino solare, è
tanto più eciente quanto maggiore è la temperatura dell’aria
nell’intercapedine. Questo, però, determina un aumento del-
la temperatura superciale esterna dell’edicio a cui il sistema
è integrato, dovuto sia all’aumento della temperatura dell’aria
nell’intercapedine (oltre 90°C), ma anche al usso conduttivo e
radiativo del sistema. Questo, soprattutto nella stagione estiva,
può determinare un carico termico insostenibile per ledicio
soggetto a un aumento della temperatura interna dell’aria (di-
scomfort).
Pertanto, alla luce di queste considerazioni e dall’analisi delle
simulazioni condotte, emerge che la soluzione che risulta la più
sostenibile ai ni del Bilancio Energetico dell’Edicio è la terza
proposta (3c pannello in polistirene chiaro). Si ritiene, infatti,
che il usso radiativo è minimizzato dalla nitura chiara. Per-
tanto, riducendo il coeciente di assorbimento si riducono i
carichi termici (apporto solare su componente opaco).
In conclusione, se il sistema non è opportunamente isolato, il
carico termico, soprattutto nella stagione estiva, può risultare
inaccettabile per l’edicio, vanicando il benecio della produ-
zione di energia del sistema stesso.
Tuttavia il limite della ricerca è, al momento, la scarsa possibi-
lità di industrializzazione del sistema progettato.
NOTE
1 Francesca Muzzillo.
2 Rossella Franchino.
3 Rossella Franchino.
4 Antonella Violano.
5 Dagli studi condotti dal sottogruppo di ricerca ING-IND-11, il sistema ha
buone prestazioni di ventilazione già a un metro da terra.
6 In questa sperimentazione:
– dati climatici (Norma UNI 10349): zona climatica di Napoli (40° lat N,
10 m slm);
– dati geometrici: capannone delle dimensioni di 20X10X15 m (lxpxh), con
lato lungo esposto a sud;
– dati costruttivi: involucro in pannelli prefabbricati straticati (doppia fo-
dera in cemento a vista di 10 cm con isolante termico interno in polistirene
espanso dello spessore di 5 cm), con U = 0.4 KWh/mqK; Attenuazione =
0.15; Sfasamento = 12 h.
7 Per massimizzare l’eetto camino, lo strato esterno dovrebbe avere un’in-
clinazione pari a circa il 2%.
8 La progettazione degli spazi aperti antistanti il sistema, con superci ri-
ettenti, come ad esempio specchi d’acqua, avrebbe incrementato il fattore
di riessione del suolo contribuendo all’ecienza energetica del sistema.
R. Franchino, F. Muzzillo, A. Violano
and internal gains (air changes and
free contributions equal to zero)
have been nullied. Even solar gains
are equal to zero, because the pro-
posed simulation model has a totally
opaque envelope. In addition, in the
calculation of incident solar radiation
on the building, the factor "soil"8 was
excluded, analyzing only the direct
solar radiation.
e factors evaluated to determine
the level of thermal interference of
the system are:
- daily and monthly sun exposure,
broken down by all the components
of the light of solar radiation;
- thermal analysis, with a special at-
tention to the sol-air factor.
Conclusion4
e SEEM system, designed in order
to produce energy by exploiting the
natural upward motion of the air in
the “solar chimney”, is much more
ecient when the air's temperature
the in the cavity is higher. However,
the increase of the external surface
temperature of the building in which
the system is integrated, is due to the
increase of the temperature of the air
in the cavity (over 90° C), but also to
the ow of conductive and radiative
system. is can determine, espe-
cially in the summer season, a heat
load unsustainable for the building,
subject to an increase in the internal
temperature of the air (discomfort).
erefore, starting from these con-
siderations and analysis of the simu-
lations carried out, it is clear that the
third proposal (3c clear polystyrene
panel) is the most sustainable solu-
tion for the Energy Balance of the
building. In fact, it is believed that
the clear nish minimizes the ra-
diative ux. erefore, reducing the
absorption coecient reduces the
thermal loads (solar gain component
of opaque).
In conclusion, if the system is not
properly insulated, the heat load, es-
pecially in the summer, may be un-
acceptable to the building, negating
the energy production benets of the
system.
However, the limit of the research
is, at present, the limited possibility
of industrialization of the designed
system.
Conclusioni4
07 2014
TECHNE
224 R. Franchino, F. Muzzillo, A. Violano
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NOTES
1 Francesca Muzzillo.
2 Rossella Franchino.
3 Rossella Franchino.
4 Antonella Violano.
5 e studies conducted by the re-
search ING-IND-11 sub-group have
shown that the system has good ven-
tilation performance already from 1
meter from the ground.
6 In this research work:
- the climatic data (UNI 10349): Na-
ples climatic zone (lat 40 ° N, 10 m asl);
- geometric data: size of industrial
building 20X10X15 m (wxdxh), with
the long side facing south;
- construction data: envelope in pre-
fabricated panels laminated (double
concrete layer of 10 cm with internal
expanded polystyrene thermal insu-
lation of 5 cm), with U = 0.4 KWh
/ mqK; Attenuation: = 0.15; Phase
shi = 12 h.
7 e outer layer should have a slope
equal to about 2% in order to maxi-
mize the chimney eect.
8 e open spaces in front of the
building, designed with reective
surfaces such as water, would in-
crease the reectivity of the soil, con-
tributing to energy eciency of the
system.
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Article
Full-text available
Current energy production from coal and oil is damaging to the environment and non-renewable. Many developing countries cannot afford these energy sources, and nuclear power stations are an unacceptable risk in many locations. Inadequate energy supplies can lead to high energy costs as well as to poverty, which commonly results in population explosions. Sensible technology for the use of solar power must be simple and reliable, accessible to the technologically less developed countries that are sunny and often have limited raw materials resources, should not need cooling water or produce waste heat and should be based on environmentally sound production from renewable materials. The solar chimney meets these conditionsand makes it possible to take the crucial step towards a global solar energy economy. Large scale solar chimneys can be built now without any technical problems and at defined costs.
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An analysis for the solar chimneys has been developed, aimed particularly at a comprehensive analytical and numerical model, which describes the performance of solar chimneys. This model was developed to estimate power output of solar chimneys as well as to examine the effect of various ambient conditions and structural dimensions on the power output. Results from the mathematical model were compared with experimental results and the model was further used to predict the performance characteristics of large-scale commercial solar chimneys. The results show that the height of chimney, the factor of pressure drop at the turbine, the diameter and the optical properties of the collector are important parameters for the design of solar chimneys.
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The air conditioning of large non-domestic buildings is becoming an increasing trend, even in moderately mild climatic zones. This is often needed to avoid overheating that results from high internal heat gains and solar radiation. This paper describes work, undertaken in the United Kingdom, aimed at minimizing the need for conventional air conditioning in such buildings. Four case studies are presented that demonstrate how dynamic thermal and computational fluid dynamics analysis have been used to assist in the design of a diverse range of naturally ventilated and passively cooled buildings. Cooling solutions included natural ventilation with night cooling (case studies 1 and 2), pre-cooling of the supply air using an underground labyrinth (case study 3), and passive cooling combined with ‘top up’ chilled water cooling of the supply air (case study 4). The first two buildings are now occupied and demonstrate good occupant satisfaction. This work demonstrates that numerical modelling techniques played a successful role in the design of innovative, energy efficient buildings.
Conference Paper
In this paper we present the theoretical and experimental study of a small solar chimney. The dimensions of the solar Chimney channel are 1.95 m high, 1.70 m width and 0.24 m depth. The channel of the solar chimney has in its backside a metallic plate as a solar heat absorber, and it is attached to a concrete wall, which acts as a storage and thermal isolation. On the front part of the chimney there is a glass plate used to decrease the heat losses to the exterior. Because the metallic plate is heated, air circulates from the lower side to the top side of the chimney channel. For the theoretical study, the steady state energy balance equations were solved for each element of the solar chimney following the methodology proposed by Ong in 2003 [8]. A numerical code was developed and reduced to cases of literature in order to validate it (Ong and Chow in 2003 [12]). The results showed the temperature distributions of the glass, the air inside the channel and the metallic plate. Also, the air mass flow rate was determined. For an hourly Irradiance of 400 W/m2 , the efficiency of the solar chimney decreased from 38 to 15% as the height of the chimney increased from 0.25 to 1.95 m.
The Architecture & Engineering of Downdraught Cooling. A design Source
  • B Ford
  • R Schiano-Phan
  • E Francis
Ford, B., Schiano-Phan, R. and Francis, E. (Eds.) (2010), The Architecture & Engineering of Downdraught Cooling. A design Source, PHDC press, London.