04_Involucro edilizio

INVOLUCRO EDILIZIO
Prof. Ing. Roberto Castelluccio
REQUISITI DELLA CHIUSURA D’AMBITO
I sistemi di chiusura d'ambito esterno devono rispondere a molteplici esigenze relative alla funzionalità ed alla
sicurezza, all’estetica, alla durabilità ed infine devono essere idonee a garantire agli utenti dello spazio architettonico
un buon livello di comfort ambientale.
Quest'ultimo, per quanto riguarda il benessere termoigrometrico, è legato a quattro fattori:
TEMPERATURA - UMIDITÀ RELATIVA - IRRADIAMENTO – VENTILAZIONE
In questi ultimi anni, con l'evoluzione dei sistemi costruttivi, che ha comportato la riduzione dei pesi specifici e degli
spessori dei materiali impiegati per gli elementi di confine, l'isolamento termico degli edifici è diventato una
preoccupazione essenziale degli operatori del settore edile.
Ottimizzando le caratteristiche di isolamento termico si consegue sia la riduzione dei consumi di combustibile, e
quindi dei costi di gestione degli impianti tecnologici, sia il miglioramento delle condizioni di benessere fisiologico
dipendenti dai fattori termoigrometrici dell'ambiente interno.
L’ottimizzazione dell’isolamento termico degli edifici consente di conseguire quattro obiettivi:
Rispetto delle disposizioni legislative vigenti: i valori limite degli indici di prestazione energetica EP per la
climatizzazione invernale degli edifici sono dettati dalle seguenti Norme
• L. 9 gennaio 1991 n. 10 "Norme per l'attuazione del Piano energetico nazionale in materia di uso razionale
dell'energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia“;
• D.P.R. 26 agosto 1993 n. 412 "Regolamento recante norme per la progettazione, l'installazione, l'esercizio e
la manutenzione degli impianti termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia”
• D.L. 29 dicembre 2006 n. 311 “Disposizioni correttive ed integrative al decreto legislativo 19 agosto 2005 n.
192, recante attuazione della direttiva 2002/91/Ce, relativa al rendimento energetico nell’edilizia”
Impedire i fenomeni di condensa dell'umidità ambientale sia sullo strato superficiale interno delle pareti
perimetrali sia all'interno delle stesse.
Garantire il benessere fisiologico agli utenti del prodotto edilizio contenendo entro limiti accettabili gli scambi di
calore per irraggiamento fra le persone e le pareti perimetrali.
Ottimizzare i costi di gestione degli impianti di riscaldamento e/o condizionamento.
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STRUTTURE DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
L’involucro edilizio ha l’esclusiva funzione di rapportarsi direttamente con le condizioni climatiche esterne quali
freddo, caldo, umidità, precipitazioni, vento, luce; con gli aspetti critici del luogo, quali le fonti di inquinamento
acustico, elettromagnetico, dell’aria, ma anche con i suoi elementi di valore quali il paesaggio naturale o
l’ambiente costruito esistente.
Le strutture costituenti l’involucro attraverso cui l’edificio entra in relazione con l’esterno sono:
1. STRUTTURE ORIZZONTALI VERSO IL TERRENO O L’ESTERNO
2. STRUTTURE OPACHE VERTICALI PERIMETRALI
3. COPERTURE PIANE E INCLINATE
4. CHIUSURE TRASPARENTI
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PRINCIPI DI TRASMISSIONE DEL CALORE
La trasmissione del calore attraverso la tamponatura, dall’ambiente a temperatura maggior
all’ambiente a temperatura minore, può avvenire per convezione, per irraggiamento e per
conduzione.
CONVEZIONE: la propagazione del calore avviene con trasporto macroscopico di materia.
La convezione costituisce il modo di trasporto di calore più sfruttato nelle applicazioni, come
nelle caldaie e negli impianti di riscaldamento centralizzati. Può essere naturale o forzata.
Nella convezione naturale le porzioni di fluido più vicine alla sorgente di calore, quali i
radiatori dell’impianto di riscaldamento, si dilatano diventando più leggere e meno dense di
quelle sovrastanti. Le porzioni di fluido più calde prendono il posto di quelle più fredde, e
viceversa, dando così luogo all’instaurarsi di una corrente fluida con trasporto di calore.
CONDUZIONE: La trasmissione per conduzione avviene quando si mettono due corpi a
contatto uno con l'altro: il calore passa naturalmente dal corpo più caldo al corpo più freddo.
Nella conduzione il trasporto di calore avviene senza spostamento di massa. Un corpo caldo, i
cui atomi vibrano in maniera sensibile, quando viene messo a contatto con un corpo più
freddo cede parte della sua energia cinetica agli atomi del corpo più freddo. In questo modo
anche questi ultimi iniziano a vibrare in maniera maggiore, segno che inizia ad aumentare la
temperatura del corpo più freddo. Maggiore è la durata del contatto tra i due corpo, più
elevata è l'energia cinetica che viene trasferita dagli atomi del corpo più caldo a quelli del
corpo più freddo.
IRRAGGIAMENTO: la trasmissione di energia avviene attraverso l'emissione e
l'assorbimento di radiazione elettromagnetica. L'irraggiamento è una forma di trasmissione
dell'energia che, al contrario della conduzione e della convezione, non richiede contatto
diretto tra gli scambiatori e non necessita di un mezzo per propagarsi.
In generale l'irraggiamento avviene tramite la radiazione dal corpo a temperatura maggiore
che irradia più energia, a quello a temperatura minore che ne assorbe finché entrambi non
raggiungono la stessa temperatura. In tal caso l'energia irradiata e quella assorbita si
compensano.
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DISPERSIONI TERMICHE
Il calore prodotto artificialmente all’interno di spazi confinati tende a fluire naturalmente verso l’esterno e deve
essere integrato in continuazione per poter mantenere costanti le temperature interne di comfort.
La riduzione delle dispersioni termiche di un edificio in regime invernale, e dei conseguenti dispendi energetici ed
economici, è data dal rendimento dell’impianto di riscaldamento e dalla valorizzazione progettuale degli apporti
invernali di energia solare passiva.
In inverno l’edificio è investito da una minore quantità di radiazione solare rispetto all’estate. Tale radiazione risulta
essere concentrata sulle sue superfici verticali esposte a sud, dove i raggi solari molto obliqui sono in grado di
penetrare profondamente all’interno attraverso i sistemi verticali vetrati. Per questo motivo è preferibile valorizzare
l’apporto gratuito di energia, fornito dal sole, sviluppando ed orientando l’edificio in modo tale che le sue superfici
verticali siano il più possibile esposte a sud e dotare le stesse di ampie aperture, opportunamente schermate
superiormente contro il surriscaldamento estivo.
L’esposizione a sud dell’edificio lo predispone anche
all’installazione dei sistemi solari attivi (collettori
solari per la produzione di acqua calda e
riscaldamento e pannelli fotovoltaici per la produzione
di energia elettrica).
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SURRISCALDAMENTO ESTIVO
Luoghi prevalentemente freddi pongono la priorità del mantenimento del calore, della riduzione delle dispersioni
termiche in regime invernale e dei conseguenti dispendi riconducibili agli impianti di riscaldamento, attuabile
attraverso l’isolamento delle strutture, l’efficienza degli impianti, la valorizzazione progettuale dell’energia solare
passiva e il contributo dei sistemi solari attivi.
Luoghi prevalentemente caldi pongono la priorità della riduzione del surriscaldamento degli ambienti interni in
regime estivo e dei conseguenti dispendi riconducibili agli impianti di condizionamento.
Nel nostro emisfero e alle nostre latitudini in estate l’edificio è investito da una maggiore quantità di radiazione
solare rispetto all’inverno. Tale radiazione risulta essere concentrata, nelle ore centrali delle giornata, sulle superfici
orizzontali e/o inclinate di copertura e nella mattinata sulle superfici verticali esposte ad est e nelle ore pomeridiane
sulle superfici esposte ad ovest, con raggi quasi perpendicolari ad esse, in grado di penetrare profondamente
all’interno, attraverso i sistemi verticali vetrati. I raggi incidenti sulle superfici verticali esposte a sud, vetrate o non,
sono invece meno diretti.
Questo è dovuto al fatto che in estate il sole effettua
un percorso apparente più lungo, sorge e tramonta
con i massimi angoli azimutali e ha le massime
altezze sull’orizzonte.
CONTRO
IL
SURRISCALDAMENTO
ESTIVO
dell’edificio dovuto all’eccesso di energia solare
diretta, è necessario utilizzare:
• Strutture a grande inerzia termica o ventilate;
• Schermature idonee a ostacolare la penetrazione
dei raggi solari e l’abbagliamento estivo;
• Strategie progettuali idonee a favorire la
ventilazione naturale e il miglioramento del
microclima locale
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SURRISCALDAMENTO ESTIVO
Strutture ad elevata inerzia termica
Strutture caratterizzate da una massa consistente, in grado di accumulare, attenuare, sfasare il calore esterno
dovuto alla radiazione solare.
In climi mediterranei, come il nostro, soluzioni costruttive massive in muratura, a grande inerzia termica, associate
a strati di isolamento termico contenuto, costituiscono ancora un’efficace risposta rispetto ai sistemi costruttivi
leggeri iperisolati.
Strutture ventilate
Strutture perimetrali associate a un isolante esterno che ostacola la dispersione
del calore prodotto internamente e ad un’intercapedine d’aria in movimento, che
le separa dal contatto diretto con l’irraggiamento solare, impedendo la
trasmissione del
calore per conduzione.
Il rivestimento esterno che si interfaccia con il clima, opportunamente fissato
alla struttura, può essere realizzato con diversi tipi di materiali che, in relazione
al luogo e al contesto, possono spaziare dai materiali lapidei ai laterizi, al legno,
fino ai manti erbosi.
Schermature
Soluzioni progettuali che hanno l’obiettivo di:
• ostacolare la penetrazione, attraverso le aperture, dei raggi solari all’interno
dell’edificio, per evitare il surriscaldamento e l’abbagliamento diretto,
• ostacolare l’investimento diretto dei raggi solari sulle strutture opache,
• creare spazi abitati esterni all’edificio, d’ombra e di mitigazione climatica, ad
esso integrati.
In particolare, le superfici verticali esposte ad est e ovest necessitano di
schermature verticali, le superfici verticali esposte a sud e quelle orizzontali
necessitano di schermature orizzontali, il cui dimensionamento, tuttavia, non
deve penalizzare la captazione solare invernale.
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SCHERMATURE
DI TIPO COMPOSITIVO-FORMALE
Porticati, balconi, pensiline, sporti di copertura
DI TIPO TECNOLOGICO
Frangisole, veneziane, persiane, tendaggi
DI TIPO NATURALE
Pergolati, tetti a giardino, pareti verdi
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VENTILAZIONE NATURALE
Ai fini del raffrescamento estivo passivo è da tenere
presente anche la valorizzazione progettuale della
ventilazione
naturale,
favorita
attraverso
la
disposizione di aperture uguali e contrapposte
secondo i flussi di brezza, sui lati sopravento e
sottovento.
Se in un’unità abitativa sono invece presenti solo
aperture sullo stesso lato il flusso d’aria non è
garantito efficacemente.
Effetto camino
La ventilazione naturale può essere anche valorizzata
attraverso soluzioni capaci di innescare e guidare moti
d’aria, al fine di attirare l’aria più fresca e/o espellere
il calore accumulato.
La prima, di densità più elevata tende a scendere
verso il basso, l’aria calda tende a salire. Aperture
poste in alto, all'estremità di un vano verticale, che
può essere anche un vano scala, per effetto camino,
ne favoriscono la fuoriuscita.
Vi sono infine accorgimenti progettuali che possono
contribuire al miglioramento del microclima
locale: la previsione di spazi esterni sistemati a
verde; la previsione di specchi o di giochi d’acqua in
movimento, con il loro effetto di raffrescamento
evaporativo.
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MATERIALI ISOLANTI
La dispersione verso l’esterno del flusso di calore prodotto all’interno degli spazi confinati può essere ostacolata
costruendo innanzitutto un involucro edilizio con materiali poco conduttivi e specificamente isolanti.
L’isolamento delle strutture costituenti l’involucro costituisce dunque la principale strategia ai fini del mantenimento
del calore prodotto internamente e del conseguente risparmio energetico invernale.
ISOLANTI
Nell'ambito della termodinamica l'isolante è un materiale caratterizzato da un basso valore della conduttività λ e
quindi capace di ridurre il flusso termico attraverso una parete di separazione di due ambienti a differente
temperatura.
Nel campo delle applicazioni edili, in particolare, si definiscono isolanti termici i materiali caratterizzati da una
conduttività inferiore a 0,116 W/m K.
Gli isolanti termici, oltre alla proprietà specifica di un basso valore della conduttività, devono possedere, in misura
maggiore o minore in relazione alla loro destinazione d'uso, requisiti di durabilità, impermeabilità,
incombustibilità e buona resistenza meccanica.
L'acqua che può infiltrarsi nell'isolante termico, possedendo una conduttività superiore all'aria, ne riduce il potere
isolante facendo aumentare il flusso termico attraverso la parete.
Quando l'isolante è caratterizzato da scarsa impermeabilità e da un basso valore della permeabilità al vapor
d'acqua, deve essere protetto da un idoneo strato di materiale impermeabile. Tale strato, definito barriera al
vapore, può essere costituito da un foglio di plastica, carta catramata, fogli sottilissimi di alluminio.
In relazione alla loro natura i materiali isolanti si possono classificare in:
ISOLANTI MINERALI
ISOLANTI VEGETALI
SOLANTI SINTETICI
COMPLESSI ISOLANTI PREFABBRICATI
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MATERIALI ISOLANTI
ISOLANTI MINERALI
Per isolanti minerali si intendono tutti quei prodotti i cui componenti di base sono totalmente, o in percentuale
maggiore, di tipo minerale
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MATERIALI ISOLANTI
ISOLANTI VEGETALI
Gli isolanti vegetali sono quei materiali i cui componenti di base sono essenzialmente di origine vegetale
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MATERIALI ISOLANTI
ISOLANTI SINTETICI
Gli isolanti sintetici sono il prodotto della chimica moderna e derivano, per la massima parte, dalla lavorazione dei
distillati del petrolio.
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MATERIALI ISOLANTI
COMPLESSI ISOLANTI PREFABBRICATI
I complessi isolanti sono quei prodotti prefabbricati costituiti dall'insieme di un isolante termico e di uno o due
paramenti superficiali in pannelli o fogli.
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PROGETTO DELL’ISOLAMENTO
Con riferimento ad una parete monostrato, costituita da materiale omogeneo di separazione tra l’ambiente interno,
a temperatura Ti, e l’ambiente esterno, a temperatura Te, in condizione invernale (Ti>Te) e in regime stazionario,
ovvero con il campo termico indipendente dal tempo, si instaura uno scambio di calore tra l’interno e l’esterno
attraverso la parete che avviene in tre fasi:
1. dall’ambiente interno al paramento interno della
parete
2. dal paramento interno al paramento esterno
della parete
3. dal paramento esterno della parete all’ambiente
esterno
Nella prima fase lo scambio avviene tra l’ambiente
interno ed il paramento interno della parete per
convezione e irraggiamento, ed è espresso dalla
relazione:
Nella seconda fase lo scambio avviene tra il
paramento interno ed il paramento esterno della
parete per convezione e conduzione:
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PROGETTO DELL’ISOLAMENTO
Dal punto di vista fisico il coefficiente di conduttività termica esprime il flusso termico che si istaura, tra il
paramento interno ed il paramento esterno della parete, per ogni metro quadrato di parete e per ogni grado di salto
termico e per ogni metro di spessore della parete.
Il coefficiente di conduttività termica dipende soltanto dal materiale costitutivo della parete
Il rapporto si/λi [m2K/W] rappresenta la resistenza termica offerta dalla sola parete al passaggio di calore.
Nella terza fase lo scambio avviene tra il paramento esterno della parete e l’ambiente esterno per convezione e
irraggiamento, ed è espresso dalla relazione:
Coefficiente di adduzione superficiale esterno: flusso termico che si istaura, tra il paramento esterno della
parete e l’ambiente esterno, per ogni metro quadrato di parete e per ogni grado di salto termico. Esso non
dipende dal materiale della parete ma dalla direzione del flusso termico (orizzontale, verticale verso l’alto e
verticale verso il basso) e dalla velocità dell’aria che lambisce la parete.
L’inverso del coefficiente di adduzione superficiale esterno, 1/αe [m2K/W], rappresenta la resistenza superficiale
interna.
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PROGETTO DELL’ISOLAMENTO
In condizione di regime stazionario, ovvero con il campo termico indipendente dal tempo, i tre flussi sono uguali
per cui si può scrivere:
sommando membro a membro
E ponendo
U [W/m2K]
Coefficiente di trasmissione termica
della parete
Si ricava l’equazione generale che regola il flusso termico dall’interno all’esterno:
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Coefficiente di trasmissione termica di una parete pluristrato
1. Strato di finitura esterno continuo con idropittura traspirante e
idrorepellente
2. Strato di collegamento con intonaco di calce e sabbia, sp. 0,5 cm;
3. Strato di regolarizzazione con intonaco di malta bastarda, sp. 1,5 cm;
4. Strato portante con blocchi di laterizi forati 25x25 cm, sp. 25 cm;
5. Strato di regolarizzazione con intonaco di malta di cemento sp. 1,5 cm;
6. Strato di collegamento con collante
7. Strato di coibentazione in vetro cellulare; sp. 1,5 cm;
8. Intercapedine, sp. 3 cm;
9. Strato portante interno con blocchi di laterizi forati 8x12 cm, sp. 8 cm;
10. Strato di regolarizzazione con intonaco di cemento, sp. 1,5;
11. Strato di finitura interno continuo con idropittura traspirante.
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Cadute di temperatura all’interno della parete pluristrato
1. Strato di finitura esterno continuo con idropittura traspirante e
idrorepellente
2. Strato di collegamento con intonaco di calce e sabbia, sp. 0,5 cm;
3. Strato di regolarizzazione con intonaco di malta bastarda, sp. 1,5 cm;
4. Strato portante con blocchi di laterizi forati 25x25 cm, sp. 25 cm;
5. Strato di regolarizzazione con intonaco di malta di cemento sp. 1,5 cm;
6. Strato di collegamento con collante
7. Strato di coibentazione in vetro cellulare; sp. 1,5 cm;
8. Intercapedine, sp. 3 cm;
9. Strato portante interno con blocchi di laterizi forati 8x12 cm, sp. 8 cm;
10. Strato di regolarizzazione con intonaco di cemento, sp. 1,5;
11. Strato di finitura interno continuo con idropittura traspirante.
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I PONTI TERMICI
L’elemento di fabbrica di confine presenta una serie di punti critici, definiti ponti termici, dovuti a discontinuità, sia
geometriche che materiche, nell’organizzazione strutturale della parete.
I ponti termici rappresentano vie
privilegiate di dispersione del calore in
quanto sono caratterizzati da una
minore resistenza termica rispetto alla
restante parte dell’elemento di
fabbrica.
Discontinuità di tipo geometrico si
hanno, ad esempio, in corrispondenza
degli angoli e delle intersezione degli
elementi costruttivi;
Discontinuità di tipo materiche si
hanno, ad esempio, in corrispondenza
dei pilastri e delle travi in c.a. inseriti
nell’involucro
edilizio,
in
corrispondenza dei collegamenti degli
infissi con la tamponatura, ecc..
La risoluzione del problema sta in una corretta progettazione dell’involucro, adottando ad esempio una
coibentazione a cappotto o una parete ventilata, prevedendo l’impiego di serramenti con profilo a taglio
termico, prevedendo l’impiego di vetri camera.
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Parete monostrato
Rivestimento esterno con intonaco termo-isolante
(eventualmente con isolamento a cappotto)
Giunti di malta continui
Laterizio porizzato del tipo Poroton
Intonaco interno
Mattone in calcestruzzo cellulare
Intonaco esterno termo-isolante
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Parete pluristrato
Fodera interna con laterizio porizzato del tipo Poroton
Pannello isolante
Fodera esterna con laterizio forato
Fodera interna con laterizio porizzato del tipo Poroton
Pannello isolante
Fodera esterna con laterizio pieno a vista
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Parete pluristrato
Parete a cassa vuota
Parete a con
intercapedine di aria e
pannello isolante
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Parete a cassetta con interposto isolante
Parete a cassetta con
faccia a vista
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Particolare ponte termico
NO
SI
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Parete con coibentazione a cappotto
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
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Fodera interna in cls. cellulare
Impalcato in c.a
Muratura in cls. cellulare
Strato impermeabile
Fodera in mattoni
Cordolo
Strato coibente
Sigillante
Intonaco interno
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Parete ventilata
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
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Tasselli ad espansione per fissaggio profilo verticale
Trave in c.a.
Profilo verticale in acciaio inox
Tamponatura
Intonaco di regolarizzazione
Rivestimento in materiale lapideo
Intercapedine ventilata
Bullone, rondella e dado per il fissaggio della staffa al profilo
Staffa in acciaio inox con piolo per il fissaggio della lastra
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Parete ventilata
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Pareti in X-Lam
Pareti ventilate in X-Lam
Lastra in fibrogesso
Isolante flessibile
in fibra di legno
Struttura in legno XLAM
Pannello coibente
in fibra di legno
Guaina impermeabilizzante
Rivestimento in legno
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Il progetto dell'isolamento termico nel rispetto delle disposizioni di legge
1997 con il Protocollo di Kyoto oltre 160 Nazioni riconoscono la necessità di ridurre la produzione mondiale di CO2
2002 l’Unione Europea impone agli Stati membri di migliorare il rendimento energetico in edilizia con l’obiettivo di
ridurre l’emissione di CO2 dell’8% rispetto alle emissioni del 1990
2005 l’Italia emana il D. Leg. 192 che recepisce la Direttiva Europea
2006 viene emanato il D. Leg. 311 che modifica il D. Leg. 192 e riprende il concetto di certificazione energetica
2009 sono stati emanati i decreti di attuazione:
DPR n. 59 del 2 aprile 2009 “Regolamento di attuazione dell’art. 4 del D. Leg. 192” che definisce:
• i criteri generali e le metodologie di calcolo
•
i requisiti minimi per la prestazione energetica degli edifici e degli impianti per la climatizzazione invernale e
per la produzione dell’acqua calda sanitaria
DM 26 giugno 2009 che definisce:
• le Linee guida nazionali per la certificazione energetica che forniscono indicazioni per il calcolo dell’indice di
prestazione energetica EP e per la relativa stesura dell’Attestato di Certificazione Energetica (ACE).
•
gli strumenti di raccordo tra Stato e Regioni
A partire dal 1° luglio 2009 tutti gli edifici devono dotarsi di certificazione energetica nel caso:
• di nuova costruzione;
• di edifici esistenti oggetto di intervento;
• di edifici esistenti oggetto di transazioni a titolo oneroso.
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