A.2 Isolamento e Massa Termica Inerzia Termica

A.2
Isolamento e Massa Termica
L’interazione tra l’ambiente interno, l’involucro e l’ambiente
avviene attraverso le superfici esterne di un edificio. La definizione
della loro composizione è di fondamentale importanza per la
progettazione dell’isolamento dell’edificio stesso.
“La casa è la terza pelle dell’uomo”
Karl E. Lotz
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
1
A.2
Isolamento e Massa Termica
Dati due fluidi a temperature diverse, sotto le seguenti ipotesi:
ti e te con ti > te (caso invernale)
• separati da una parete piana a facce parallele
• in condizioni stazionarie (nessuna variazione nel tempo)
Il flusso termico scambiato tra i due fluidi attraverso la parete S è pari a:
(1)
q = KS (ti − t e)
dove: K è il come coefficiente di scambio termico globale o trasmittanza.
S è la superficie della parete
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
2
A.2
Isolamento e Massa Termica
Se si definisce Rt resistenza termica di scambio:
(2 )
q = (t i − t e )
Rt
Se il flusso termico attraversa una parete composta (come nella realtà) da più strati in
successione (o in serie), possiamo scrivere:
n
Rt = ∑ Ri
(3)
i =1
K=
1n
∑ Ri ⋅ S i
i =1
Ri : resistenza termica dell’ i-esimo strato
S i : superficie dell’ i-esimo stato
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
3
A.2
Isolamento e Massa Termica
ØConduzione: il passaggio di calore all’interno di corpi posti a contatto, senza
apprezzabile scambio di materia, a causa di una differenza di temperatura
(4 )
R=s
=1 =1
= R'
λ ⋅S
C
C '⋅S
S
Con : s = spessore dello strato
S = superficie dello strato
?= conduttività termica dello strato
C = conduttanza W m 2 K
R’ e C’ = resistenza e conduttanze specifiche.
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
4
A.2
Isolamento e Massa Termica
Per lo scambio superficiale, si tiene conto sia della convezione che dell’irraggiamento:
dove
a = coeff. di
scambio superficiale somma
R= 1
(5)
dei coeff. di convezione
α ⋅S
e irraggiamento.
Da tutte queste considerazione ricaviamo il coefficiente di scambio termico globale :
(6)
K=
1
1
s
1
1
+ ∑ + ∑ + R '+
λ
C'
α1
α2
Con a 1e a 2 coeff. di scambio superficiale per i fluidi a t1 e t2.
Come si può notare a seconda del tipo di materiale si ottiene un aumento o una
diminuzione notevole dell’ isolamento termico, essendo a 1e a 2 ostanti.
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
5
A.2
Isolamento e Massa Termica
Estratto norma UNI
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
6
A.2
Isolamento e Massa Termica
Estratto norma UNI
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
7
A.2
Isolamento e Massa Termica
Estratto norma UNI
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
8
A.2
Isolamento e Massa Termica
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
9
A.2
Isolamento e Massa Termica
Confrontiamo vari valori del coefficiente di scambio termico globale o
trasmittanza specifica a seconda del tipo di muro o parete vetrata usata
nell’edilizia:
materiale
Spessore
a
?
C'
SRS
m
W/m 2K
W/mK
W/m 2K
mqK/w
Aria esterna
23,2
1/a=0,043
Intonaco esterno
0,02
Mattoni Uni
0,25
1,97
1/C'=0,508
Mattoni forati
0,08
4,23
1/C'=0,236
Intonaco interno
0,01
Aria interna
Da cui K della parete è pari a :
Fonti Rinnovabili di Energia
0,87
s/?=0,023
0,52
s/?=0,019
8,12
1/a=0,123
1
K=
= 1.05 mW2 K
∑ RS
Prof. Claudia Bettiol
SRS=0,952
A.A. 2003-04
10
A.2
Isolamento e Massa Termica
materiale
Spessore
a
?
C'
SRS
m
W/m 2K
W/mK
W/m 2K
mqK/w
Aria esterna
23,2
0,043
Lastra di rivestimento in Pietra
0,02
intercapedine d'aria
0,02
Mattoni pieni
0,012
1,3
0.009
pannelli di coibentazione
0,06
0,035
1.714
muratura in blocchi tufacei
0,2
0,63
0,317
intonaco di rinzaffo in cemento
0,01
1,395
0.007
Intonaco interno gesso e sabbia
0,01
0,81
0,012
Aria interna
2,9
0.007
6,5
8,12
0,154
0,123
SRS=2.386
Da cui K della parete è pari a :
Fonti Rinnovabili di Energia
1
K=
= 0.42 mW2 K
∑ RS
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
11
A.2
Isolamento e Massa Termica
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
12
A.2
Isolamento e Massa Termica
Vetro Triplo
spessore (m)
? (W/K m)
aria esterna
vetro
0,043
0,004
1
intercapedine
vetro
0,004
0,13
0,004
1
intercapedine
vetro
SRS (mq K/W)
0,004
0,13
0,004
1
aria interna
0,004
0,123
SRS=0,438
K=
1
= 2,28 mWK
∑ RS
Fonti Rinnovabili di Energia
2
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
13
A.2
Isolamento e Massa Termica
Inerzia Termica
L’analisi vista in precedenza vale sotto le ipotesi di regime stazionario e scambio
termico di tipo convettivo.
Nella realtà il fenomeno è molto più complesso, si deve considerare la radiazione solare
incidente e la capacità della parete di accumulare energia e rilasciarla nel tempo, cioè
l’inerzia termica.
Lo scambio non sarà più solamente convettivo ma avrà una componete dovuta alla
radiazione solare incidente (W), definendo:
• te: temperatura esterna
• ti: temperatura interna
• ti*: temperatura parete all’intradosso
• he: coefficiente di scambio termico convettivo per l’aria esterma
• a: coefficiente di assorbimento della radiazione solare
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
14
A.2
Isolamento e Massa Termica
Facendo un bilancio termico all’estradosso possiamo
scrivere:
q = he ( te − ti* ) + W ⋅ a = he (TFS − ti* )
In cui con TFS indichiamo la temperatura
fittizia al sole cioè la temperatura a cui si
porta la parete a causa dei due effetti
convezione e irraggiamento:
TFS =
a ⋅W
+ te
he
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
15
A.2
Isolamento e Massa Termica
Definita ora questa temperatura possiamo analizzare cosa accade ad un muro durante
il giorno in funzione di:
•Esposizione
•Massa
•Ora del giorno
Tutto verrà analizzato osservando la differenza tra la temperatura interna della stanza
(26°C) e la temperatura fittizia al sole ( grafico mese di Luglio a Roma)
100 kg/mq
4
2
24
22
20
18
16
14
12
10
700 kg/mq
8
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
6
Diff. Temp.
Differenza di Temperature equivalenti parete esposta a
Sud
Ora Solare
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
16
A.2
Isolamento e Massa Termica
Massa Termica
Si analizza l’evoluzione di tre tipologie edilizie
1.
Riproposizione della caverna, caratterizzata da
masse murarie di grande spessore che
conferiscono all’edificio elevata inerzia termica,
ammortizzando
l’interno dagli sbalzi di
temperatura esterno/interno. Esempio perfetto di
questa tipologia è il dammuso, struttura
caratteristica dell’isola di Pantelleria, la cui
muratura esterna ha uno spessore variabile 0.82m, tale da ridurre l’escursione termica interna.
La volta sottile di copertura invece cede al
fresco notturno il calore dell’aria che vi si
accumula.
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
17
A.2
2.
Isolamento e Massa Termica
Riproposizione
della
capanna.
Caratteristico
della
fascia
tropicale
caratterizzata da sole, vento ed umidità. Si
cerca di sfruttare l’effetto camino prodotto
dall’aria a diversa temperatura, per asportare
il calore in eccesso e raffrescare gli ambienti.
Come esempio si riporta lo spaccato di due
edifici, di un complesso di sei ville
Palladiane a Costozza, in cui si vede come
lo sfruttamento dei sistemi di cunicoli
naturali (covoli) e artificiali ha effetti
sorprendenti: a fine Luglio (33oC) una delle
stanze del pianterreno può avere una
temperatura di 19oC.
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
18
A.2
Isolamento e Massa Termica
3. modello palazzina (o grattacielo), ovunque uguale a se stesso, al cui interno viene
instaurato un clima artificiale,
la temperatura interna è
mantenuta da impianti dal
consumo energetico
proporzionale alla differenza di
temperatura interno/esterno.
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
19
A.2
Isolamento e Massa Termica
Foster
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
20
A.2
Isolamento e Massa Termica
A parte i pochi esempi di eccellenza, l’evoluzione ci ha portati ad un modello
che, per quanto efficace, è il più inefficiente e fragile dal punto di vista della
regolazione per il raggiungimento delle ottimali condizioni di benessere.
Le ampie vetrate sono fonte di:
• enormi dispersioni di calore verso l’esterno (in inverno)
• inutile accumulo calore all’interno dell’edificio (in estate)
vedremo in seguito come limitare questi problemi.
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
21
A.2
Isolamento e Massa Termica
In Europa l'energia consumata negli edifici per:
ü il riscaldamento,
üla climatizzazione,
ü l'illuminazione,
üle funzioni tecnologiche e di servizio
Pari a circa il 40% del consumo di energia primaria, dopo le crisi energetiche degli
ultimi 30 anni, a maggior ragione dopo i black-out dell’estate del 2003, si stanno
rielaborando i modelli di costruzione del passato alla luce della evoluzione tecnologica
per costruire edifici a basso consumo e alto comfort ambientali.
Fonti Rinnovabili di Energia
Prof. Claudia Bettiol
A.A. 2003-04
22