trasmiss cal edif - Università degli Studi di Firenze

Richiami di trasmissione del
calore e Prestazioni termofisiche
dell’involucro edilizio
prof. ing. Giorgio Raffellini
Dip. di Tecnologie dell’architettura e Design “P. Spadolini” – Università di Firenze
email: [email protected]
Modalità trasmissione calore
• CONDUZIONE (caratteristica nei solidi, es. barretta
ferro scaldata, strato d’aria ferma es. vetrocamera)
• CONVEZIONE (caratteristica nei fluidi: liquidi e
gas) , si suddivide in naturale (es. fumo di sigaretta) e
forzata (es. ventilatore)
• IRRAGGIAMENTO (diverso dai precedenti , in
quanto avviene per onde elettromagnetiche e quindi non ha
bisogno di un mezzo, e quindi anche nel vuoto, es. energia
solare)
Scambi termici : convezione ed
irraggiamento + conduzione
Dall’interno verso l’esterno
Convezione naturale ed irraggiamento aria-parete
interna
Conduzione strati solidi
Convezione naturale/forzata ed irraggiamento
aria-parete esterna
Coefficienti di adduzione o liminari (valori
tabulati)
Calcoli
Regime stazionario o transitorio
Convezione : studio teorico abbastanza complesso, da cui si
definisce un coeff. di convezione: h (W/m2 K) :
valori indicativi : conv. forzata liquidi : 10.000 , gas 100
conv. naturale : liquidi 10-50, gas 5-10
• Irraggiamento termico : corpi neri (teorici, non esistono in
pratica) , grigi (in genere comprendono tutti i materiali
usati in edilizia , ed anche il corpo umano) , colorati (es.
metalli a specchio, ecc..)
• Anche in tal caso si fanno semplificazioni , in ogni caso :
• Q = S (T14 _ T24 ) . Cost. Boltzmann
• Con qualche semplificazione ed approssimazione ne nasce
il coeff. di irragg. termico : Q = i (T1 _ T2 ) S
• Se in presenza di entrambe : a = h + i (coeff. liminare)
Nella trasm. calore è fondamentale conoscere la distribuzione
della temperatura nello spazio e nel tempo T = f(x,y,z,t)
• Per conduzione e convezione è fondamentale l’equaz. di
Fourier
• Per semplificarla si fanno di solito alcune semplificazioni :
• - regime stazionario , cioè distribuzione temp. indipendente
dalla variabile tempo, nei casi reali abbastanza rara
• - materiali omogenei ed isotropi , anche qui rari
• - nella conduzione : superficie di estensione infinita e
strato piano a facce parallele di spessore s = f(x) con
conducibilità λ, si ottiene ipot. T1 > T2:
Q / S = λ/s (T1 –T2) ; T = T1 + ((T2 – T1) /s ) x
Trasmittanza termica U (W/m2K)
(UNI EN ISO 6946 – UNI 7357)
UNI EN ISO 6946:1999 “Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e
trasmittanza termica - Metodo di calcolo”
Serve per determinare la potenza scambiata per trasmissione dall’ambiente interno a
temperatura maggiore con l’ambiente esterno o con ambienti interni a temperatura
minore – regime stazionario – (W/m2K)
Ti > Te
Ti
1/ae
CONV +
IRRAG
INTERNO
ESTERNO
1/ai
CONV +
IRRAG
Te
s1
s2
sj/lj
s3
COND
s4
a coefficiente di adduzione interna ed
esterna (W/m2K)
UNI EN ISO 6946:1999
UNI 7357: 1989 “Calcolo del fabbisogno
termico per il riscaldamento di edifici”
 = fattore che tiene conto delle diverse
esposizioni degli ambienti:
SUD=1 S/O=+25%
O e S/E =+510%
N/O e E=+1015% N e N/E =+1520%
Trasmittanza termica U (W/m2K)
(UNI EN ISO 6946 – UNI 7357)
UNI EN ISO 6946:1999 “Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e
trasmittanza termica - Metodo di calcolo”
La norma descrive un metodo per il calcolo della resistenza termica e della
trasmittanza termica dei componenti e degli elementi per edilizia, escluse le porte, le
finestre e le altre parti vetrate, i componenti che implicano uno scambio termico con il
terreno ed i componenti percorsi dall'aria di ventilazione.
Resistenza termica superficiale (m2K/W)
I valori riportati sotto "orizzontale" si applicano a flussi termici inclinati fino a ± 30° sul
piano orizzontale.
Rsi=1/ai
dove ai = adduttanza interna (W/m2K)
Rse=1/ae
dove ae = adduttanza esterna (W/m2K)
Conduzione in più strati piani : in serie (es. pareti o solai
compositi) o in parallelo (es. par. composita e pilastro o trave)
• Analogia elettrica : Δ V = R i
- diff. di potenziale el. (V) = diff. di temp. (T o °C)
- intensità di corrente ( i in Amp) = flusso di calore in unità
di tempo e per unità di sup. (q in W/m2)
- resistenza elettr. = resistenza termica
- In caso di strati piani :
- Serie (es. parete composita Rt = ∑ (si / λi) )
- Parallelo (es. ponte term. Pilastro-parete :
1 / Rt = ( 1 / R1 + 1 / R2 + …1 /Rn) = ∑ (1/ (si / λi) )
- N.B. In strati non omogenei (es. matt. forati) :
C (conduttanza termica)= 1/R
L’involucro dell’edificio
L’involucro edilizio costituisce la superficie di controllo che delimita il sistema
termodinamico “edificio”, ed ha la funzione di controllare i flussi di energia e massa al fine
di garantire le condizioni di comfort negli ambienti confinati, di contenere i consumi
energetici e gli impatti dell’ambiente esterno.
1.componenti opachi
(parete verticale)
1.componenti opachi
(attacco a terra)
1.componenti opachi
(coperture, solai)
2.ponti termici
3.componenti finestrati
Le prestazioni dell’involucro
Componenti opachi
Coefficiente di conduzione l (W/mK)
Conduttanza C (W/m2K)
Densità r (kg/m3)
Inerzia termica
Calore specifico cp (J/kg K)
Permeabilità al vapor d’acqua  (kg/m s Pa)
Trasmittanza termica U (W/m2K)
Ponti termici
Coefficiente lineare di ponte termico  (W/mK)
Componenti trasparenti
Trasmittanza termica Uw (W/m2K),
Fattore solare g
Coefficiente di conduzione o conduttività termica l
(UNI 10351e UNI 12524)
Rappresenta l’energia che per conduzione attraversa nell’unità di
tempo lo spessore unitario del materiale per una differenza unitaria di t.
Definisce univocamente l’attitudine di un materiale, omogeneo e
isotropo, a trasmettere il calore quando lo scambio avviene solo per
conduzione.
Funzione dello stato fisico del materiale, della temperatura, della
densità, della posa in opera.
l è per materiali omogenei o assimilabili (W/mK)
R = s/l resistenza termica (m2K/W) – almeno tre decimali
l < 0,065W/mK
isolanti
0,09 <l < 0,065
deb. isolanti
l > 0,09W/mK
non isolanti
Coefficiente di conduzione o conduttività termica l
(UNI 10351e UNI 12524)
UNI 10351: 1994 “Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità
al vapore”
Valori da utilizzare quando non esistano norme specifiche per il materiale considerato
lm conduttività indicativa di riferimento, in laboratorio alla t=20°C
m maggiorazione percentuale (t=20°C, UR=65%), tiene conto di contenuto percentuale di
umidità, invecchiamento, costipamento.
l conduttività utile di calcolo
UNI EN 12524: 2001 “Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche Valori tabulati di progetto”
l conduttività termica di progetto
Conduttanza C
(UNI 10355 - UNI 7357 – UNI 6946)
Flusso di calore che in regime stazionario attraversa 1 m2 di superficie di
un materiale non omogeneo per una differenza unitaria di t.
C è per materiali non omogenei o lame d’aria non ventilate (W/m2K)
R = 1/C (m2K/W)
UNI 10355: 1994 “Murature e solai.
Valori della resistenza termica e
metodo di calcolo”
Fornisce i valori delle resistenze termiche
unitarie (laboratorio o calcolo) di tipologie
di pareti e solai più diffuse in Italia.
F=66%
s=37cm
s malta=1,2cm
R=1,06 m2K/W
F=76%
s=24+4cm
R=0,41 m2K/W
UNI EN ISO 6946:1999 “Componenti e
elementi per edilizia - Resistenza
termica e trasmittanza termica Metodo di calcolo”
Densità o massa volumica r (kg/m3)
(UNI 10351e UNI 12524)
Massa volumica del materiale secco. Usato come indice dell’inerzia
termica di un componente edilizio opaco.
Calore specifico o capacità termica specifica cp (J/kg K)
(UNI 12524)
Quantità di calore da fornire, a pressione costante, all’unità di massa
del materiale per ottenere un aumento unitario di temperatura.
Rappresenta un indice della capacità di un materiale di trattenere,
accumulare il calore. Usato come un indice dell’inerzia termica di un
componente edilizio opaco.
Caratteristiche igrometriche
(UNI 10351- UNI 12524)
 Permeabilità al vapore acqueo  (kg/m s Pa)
attitudine a trasmettere per diffusione il vapor d’acqua contenuto
nell’aria
 Resistenza al flusso di vapore Rv (m2 s Pa/kg)
si ottiene come rapporto tra lo spessore dello strato e la
permeabilità del materiale Rv = s/
 Coefficiente o Fattore di resistenza al passaggio del vapore m
Resistenza al passaggio del vapore riferita ad un uguale spessore
d’aria
m = aria in quiete/ materiale
Caratteristiche igrometriche
(UNI 10351- UNI 12524)
UNI10351:1994 “Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al
vapore”
Valori da utilizzare quando non esistano specifiche tecniche per il materiale
a permeabilità al vapore nell’intervallo di UR 050% - campo asciutto (Glaser)
u permeabilità al vapore nell’intervallo di UR 5095% - campo umido
Per tenere in considerazione le effettive condizioni di esercizio dei materiali.
UNI EN 12524:2001 “Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche Valori tabulati di progetto”
m Fattore di resistenza al passaggio del vapore
Ponti termici
(UNI EN ISO 14683)
UNI EN ISO 14683: 2001 “Ponti termici in edilizia Coefficiente di trasmissione
termica lineica - Metodi semplificati e valori di riferimento”
Specifica metodi semplificati per la determinazione del flusso di calore attraverso i
ponti termici lineari che si manifestano alle giunzioni degli elementi dell’edificio.
La UNI EN ISO 14683 definisce il PONTE TERMICO, come parte dell'involucro
edilizio dove la resistenza termica, altrove uniforme, cambia in modo
significativo per effetto di:
- compenetrazione di materiali con conduttività termica diversa nell'involucro
edilizio (tamponamento in mattoni con struttura in c.a.; attacco serramenti;
giunti tra parete e pavimento o parete e soffitto);
- discontinuità geometrica nella forma della struttura (es. angoli).
Parete con mattoni pieni da 25 cm
U = 1 / (0,17 + (0,25/0,75) ) =
1 / (0,17 + 0,33) = 1 /0,5
da cui U = 1 / 0,5 = 2 W /m2 K
• Q = U 1 m2 (ti – te) = 2 W/m2K 1 m2 (200) K = 40 W
•
•
•
•
Ipotesi ristr. Isol. a cappotto da 10 cm
1/U’ = 1/U + (s/λ) is = 0,5 + (0,1 / 0,04)=
0,5 + 2,5 = 3 => U’ = 0,33 W/m2K
Q’ = 0,33 . 1. 20 = 6,6 W