Il Sistema Serra e il calore del sole

   Una serra, o il sistema serra, ha l’obiettivo di captare e trattenere il calore del sole. In altri termini la serra, oltre a proteggere le piante in essa coltivate dal clima e dalle avversità atmosferiche, è un vero e proprio collettore solare che contribuisce ad ottimizzare gli apporti di luce e di calore.
    La capacità di utilizzare l’energia solare dipende innanzitutto dalle caratteristiche della zona in cui la serra viene realizzata (orientamento, pendenza del terreno, altezza sul livello del mare, presenza di difese naturali) e dalle caratteristiche climatiche e microclimatiche (temperatura, ventosità, radiazione luminosa, ecc.). Tali aspetti devono essere considerati in funzione delle esigenze delle colture che si desidera coltivare e delle esigenze economiche legate alla loro redditività.
    Per cui non esiste una serra “tipo standard” ma, in funzione delle varie zone in cui si opera, si potrà individuare la migliore soluzione più atta a soddisfare le esigenze delle colture compatibilmente con le prospettive di ritorno economico dell’investimento.
    Per alcune coltivazioni, fino ad oggi, era economicamente conveniente un condizionamento climatico della serra legato non solo ai fattori naturali, ma anche a specifici impianti di riscaldamento o raffrescamento installati nella struttura. Il sistema serra è in questo caso molto complesso; il punto di partenza per comprenderne il funzionamento è in ogni caso sempre l’analisi dei flussi d’energia legati ai fattori naturali.
Il principale fattore naturale ad influenzare il funzionamento del sistema serra è la radiazione solare.

Nella tabella 1 sono riportate le diverse componenti della radiazione solare classificate in base alla loro lunghezza d’onda.

Tab. 1 – Composizione della radiazione solare.

	Lunghezza d’onda (λ) nm
Radiazioni cosmiche		0,00005
Raggi gamma		0,001 – 0,14
Raggi X		1 – 15
corto		15 – 280
Ultravioletto	medio	280 – 315
	lungo	315 – 380
	violetto	380 – 440
Visibile	blu	440 – 490
	verde	490 – 565
	giallo	565 – 595
	arancione	595 – 620
	rosso	620 – 760
Infrarosso	corto	760 – 1.000
	medio	1.000 – 2.000
	lungo	2000 – 26.000
Onde radio		26.000 – 100.000

   Circa il 98% della radiazione emessa dal sole è compresa tra le lunghezze d’onda di 300 nm e di 3.000 nm; prima di raggiungere l’atmosfera, vi è un picco a 480 nm corrispondente alla radiazione a cui è associata la maggiore quantità di energia.  
   Esistono sostanzialmente due componenti rilevanti per le attività svolte nella serra: la componente che rende possibile la fotosintesi (denominata PAR, Photosynthetically Active Radiation) e le componenti dell’infrarosso che sono alla base sia, del cosiddetto “effetto serra” sia, dell’infrarosso corto associato alla PAR, causa di “effetti foto-morfo-genetici” sulla coltura quali (germinazione dei semi, allungamento dello stelo, espansione delle foglie, ecc.). 
    La radiazione luminosa utilizzata per la fotosintesi è compresa tra le lunghezze d’onda di 380 nm e di 710 nm; si tratta di radiazioni che ricadono nel campo del visibile, anche se è necessario sottolineare che la sensibilità dell’occhio umano a tali radiazioni è assai diversa rispetto a quella delle piante per la fotosintesi. L’incidenza della PAR sulla radiazione globale è di circa il 50%, con piccole variazioni durante il giorno od a seconda della stagione. Le piante, tuttavia, riescono ad utilizzare per la fotosintesi solamente il 5% dell’energia solare; il resto riscalda la pianta stessa ed i corpi circostanti.

   Per quanto concerne le radiazioni infrarosse, le componenti a lunghezza d’onda maggiore vengono attenuate nel passaggio dell’atmosfera; l’emissione da parte della superficie terrestre riguarda invece essenzialmente le radiazioni infrarosse a maggiore lunghezza d’onda.
   Il cosiddetto “effetto serra” consiste nell’aumento della temperatura dell’aria all’interno della struttura ad opera delle radiazioni infrarosse medie e lunghe emesse dal terreno, dalla coltura e dai manufatti presenti nella serra a loro volta riscaldati dalla radiazione solare.
Tale fenomeno è reso possibile dalle specifiche caratteristiche del materiale con cui viene realizzata la copertura della serra: "trasparente" alla componente infrarosso corto della radiazione solare e “opaco” alle radiazioni emesse dai corpi presenti all’interno della serra.

Di seguito è elencato lo schema delle radiazioni componenti l’effetto serra:
  1) radiazione solare incidente;
  2) radiazione solare riflessa;
  3) radiazione solare che ha attraversato il materiale di copertura;
  4) radiazione emessa dal terreno e da altri corpi presenti all’interno della serra;
  5) radiazione dispersa all’esterno della serra;
  6) radiazione riflessa all’interno della serra.

    Maggiore sarà la quantità di energia associata alla radiazione solare che penetra all’interno della serra, più efficace sarà il riscaldamento dell’aria al suo interno. In generale, la quantità di energia che attraversa una superficie trasparente dipende principalmente dalla intensità della radiazione incidente, dal suo angolo di incidenza (ovvero dell’angolo con cui la radiazione colpisce la copertura) e dal coefficiente di trasparenza del materiale. Questi ultimi due fattori sono influenzati principalmente dalla forma e dall’orientamento della serra e dalle caratteristiche del materiale di copertura impiegato per la sua realizzazione.
    L’intensità della radiazione solare è invece dipendente dalla latitudine, dalla data del calendario oltre che dalle condizioni meteorologiche. Per ciascuna area potrà pertanto essere stimato l’apporto di energia solare.
In alcuni casi, e cioè ove sono disponibili appositi sensori, è stata riportata oltre alla radiazione diretta anche la radiazione diffusa. Quest’ultima deriva dalla diffusione della radiazione solare ad opera dei gas presenti nell’atmosfera e delle nubi; nelle giornate nuvolose risulta prevalente rispetto alla radiazione diretta. Anche la radiazione diffusa è importante per il corretto sviluppo della coltura e per l’”effetto serra”, ma i materiali di copertura presentano caratteristiche diverse rispetto ai due diversi tipi di radiazione.
    La radiazione luminosa non è tuttavia l’unico fattore naturale che deve essere considerato qualora si desideri migliorare l’efficienza della serra; il riscaldamento ad opera della radiazione solare è infatti limitato dalle dispersioni di energia legate a fattori ambientali quali la velocità e direzione del vento e le temperature minime dell’aria all’esterno della serra.
   Inoltre, la necessità di mantenere condizioni ambientali ottimali per la coltura presente all’interno della serra (in particolare temperatura ed umidità relativa), obbliga a periodiche operazioni di arieggiamento anche durante il periodo invernale. Problematiche assolutamente diverse si manifestano invece durante i mesi più caldi, quando l’effetto serra, che risultava fondamentale sotto il profilo energetico durante il periodo invernale, deve essere in qualche modo limitato allo scopo di evitare di raggiungere temperature eccessive.
   In questo caso vengono utilizzati dei dispositivi per ottenere l’ombreggiamento, la ventilazione (naturale o forzata) ed il raffrescamento evaporativo “Cooling”.