Fisica Tecnica
Ambientale
per
l’Architettura
Facoltà Architettura
Roma Sapienza
Laurea Magistrale a Ciclo Unico
COMPORTAMENTO TERMOFISICO DELLE
PARETI
l’involucro edilizio
EVOLUZIONE DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
Scopo principale dell’attività edilizia:
•Protezione dal mondo esterno
•Creazione di una superficie di separazione efficace rispetto allo spazio esterno
Contemporary Treehouses by Baumraum
ARCHITETTURA SOSTENIBILE ED INVOLUCRO EDILIZIO
•
Nuovo approccio al progetto climaticamente consapevole
•
Tecnica come mezzo per controllare l’involucro dell’edificio considerandolo come
organismo empatico climaticamente sensitivo
•
In grado di reagire rispetto alle condizioni climatiche esterne autonomamente
•
Riduzione fabbisogni energetici dell’edificio
•
Costo e durabilità
•
Trasparenza e possibilità di partecipare a ciò che accade all’esterno dell’edificio
•
Apporto di luce naturale, comfort visivo per gli occupanti
•
Integrazione Edificio-Ambiente
•
Possibilità di modellare forme nuove
Per meglio rispondere alle esigenze di benessere negli spazi abitati ed alle questioni
imposte da uno sviluppo sostenibile, l’involucro architettonico deve essere inteso
come insieme strutturato ed integrato di materiali, componenti e sistemi in continua
ed attiva interazione con i fattori climatici e le dinamiche ambientali.
UNA DEFINIZIONE DI INVOLUCRO EDILIZIO
….è all’involucro che viene demandato il compito di creare un equilibrio tra interno
ed esterno in termini di diffusione di temperatura, flussi d’aria, purezza ed umidità
dell’aria, nonché il tipo di radiazione. Thomas Herzog
Le prestazioni dell’involucro devono garantire il comfort termico e igrometrico degli
spazi confinati e il contenimento dei consumi energetici mediante il soddisfacimento
dei seguenti requisiti prestazionali:
Requisiti ambientali:
• Mantenimento della temperatura dell’aria negli spazi abitativi nelle stagioni di
esercizio degli impianti di riscaldamento entro i limiti di legge di 20 – 22 °C.
• Mantenimento delle condizioni di comfort termico negli ambienti interni nel periodo
estivo.
Requisiti tecnologici:
• Controllo dei fenomeni di condensa superficiale e interstiziale
• Controllo della combinazione “Temperatura – Umidità – Ventilazione”
• Resistenza termica e inerzia termica ai fini del risparmio energetico e del comfort
ambientale interno.
UNA DEFINIZIONE DI INVOLUCRO EDILIZIO
L’involucro edilizio è un elemento architettonico che delimita e
conclude perimetralmente l’organismo costruttivo e strutturale (è
perciò detto "di frontiera").
La sua funzione è quella di mediare, separare e connettere l’interno
con l’esterno, ma esso è anche un elemento ambientale, che delimita
e identifica gli spazi esterni circostanti.
EVOLUZIONE DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
Facciata -- Involucro
Dal latino FaciesVolto della costruzione
•
Soglia tra interno ed esterno
•
Appartiene all'edificio così come allo spazio urbano
•
L'involucro portatore di un significato particolare
•
All’esterno la facciata si presenta come il biglietto da visita dell'edificio
verso il pubblico e la rappresentazione personale del progettista-
committente.
•
All'interno del contesto essa determina l'immagine della città.
PARAMETRI ESTERNI
Luce
Intensità della radiazione
solare
Angolo della radiazione
solare
Illuminanza
Orizzonte
Edificazione circostante
Vegetazione
Aria
Temperatura dell’aria
Umidità dell’aria
Velocità dell’aria
Direzione del vento
Qualità dell’aria
Suono
Precipitazioni
Terreno
Temperatura del terreno
Umidità del terreno
Massa di accumulo del terreno
INVOLUCRO DELL’EDIFICIO
Proprietà
Trasparenza
Traslucenza
Opacità
Conduttività termica
Conduttanza energetica totale
Massa
Valore del potere fonoisolante
Capacità di accumulo
Resistenza alla diffusione del vapore
Funzioni di protezione
Protezione dalla pioggia
Protezione dal vento
Protezione termica invernale
Protezione termica estiva
Protezione solare
Protezione da abbagliamento
Protezione acustica
Protezione visiva
Protezione contro penetrazioni indebite
Funzioni di alimentazione
Illuminazione
Aerazione
Visuale
Vista esterne
Rendimenti temici passivi
Rendimenti termici attivi
Produzione solare di energia elettrica
PARAMETRI INTERNI
Termici
Temperatura interna
Temperatura media circostante
Temperatura delle superfici
Temperatura dell'aria in entrata
Velocità dell'aria in entrata
Umidità aria interna e aria in entrata
Movimenti d'aria
Acustici
Livello del rumore
Esposizione ai suoni
Tempo di riverbero
Visivi
Radiazione diretta
Angolo di incidenza della luce
Illuminanza
Distribuzione della luminanza
Contrasto, abbagliamento
Fattore di luce diurna
Autonomia di luce diurna
Resa del colore, copertura esterna
Vista
Olfattivi
Ricambio d'aria
Qualità dell'aria
FUNZIONI DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
•
•
•
•
•
•
Filtro complesso e
multifunzionale tra
esterno ed interno
rispetto all’edificio
•
trasmettere alla struttura portante i carichi
permanenti (peso proprio) ed accidentali
(vento, sisma ed urti);
separare e conformare gli spazi interni del
sistema edilizio rispetto all’esterno;
difendere gli spazi interni dagli agenti
esterni;
permettere e regolare la trasmissione dei
flussi energetici tra interno ed esterno del
sistema edilizio;
consentire e regolare l’illuminazione
naturale e la visibilità attraverso;
consentire e regolare la ventilazione degli
spazi interni;
permettere e regolare il passaggio di persone
e cose tra gli spazi interni ed esterni.
Prestazioni complesse dell’involucro
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
resistenza meccanica;
tenuta all’acqua;
permeabilità all’aria;
prestazioni di interfaccia:
• dilatazioni e deformazioni
• deformazioni della struttura portante
• collegamento alla struttura portante
• coordinamento delle tolleranze
comportamento termico
controllo dell’irraggiamento solare
controllo del flusso luminoso
isolamento acustico
comportamento al fuoco
durabilità e affidabilità
EVOLUZIONE DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
Il movimento moderno
La tradizione classica
Stretta connessione
funzione
tra
forma
e
La chiusura verticale esterna e la
struttura
portante
erano
indissolubilmente uniti
Muro portante:
confine fisico e materico con
l’esterno definisce spazialmente
l’organismo
architettonico
ben
distinto e differenziato dalle
coperture strutturalmente lavora
per massa
Formulazione dei cinque punti di Le
Corbusier determina i rapporti tra
architettura e costruzione (1925)
1.Piloties
2.Indipendenza funzionale
dell’ossatura e del muro
3.Plan libre
4.Facciata libera
5.Tetto a giardino
Sistema a telaio composto da travi e
pilastrisvincola definitivamente la
struttura portante dalla chiusura
verticale
esterna
EVOLUZIONE ARCHITETTONICA E TECNOLOGICA
• Utilizzo di nuovi materiali: ferro, vetro, calcestruzzo armato,
alluminio;
• Nuove tecnologie costruttive: distinzione tra struttura portante
ed involucro;
• Introduzione dell'impiantistica tecnologica;
• Affermarsi della moderna scienza delle costruzioni;
• Movimento dell'architettura moderna e dei suoi componenti: Le
Corbusier, F.L. Wright, Mies Van der Rohe, W. Gropius.
Prima realizzazione di una facciata continua in vetro
Walter Gropius
Sede del Bauhaus, Dessau
1925 – 1926
Hallidie Building San Francisco (1917)
Willis Polk, architect
Mies van der Rohe – Plastico Grattacielo
Trasparente 1922
INVOLUCRI MODERNI
• Gli involucri moderni, diversamente dal
Brown University e Rhode Island School of Design e
l'Università tedesca di Scienze applicate di Erfurt, la
Techstyle Haus presentata a Solar Decathlon Europe 2014
passato, risultano in grado di controllare
dinamicamente i flussi energetici,
governandoli in funzione delle esigenze di
comfort interno.
• Oggi è possibile di utilizzare gran parte
dell’energia solare incidente l’involucro,
distribuendola in zone dove è maggiormente
necessaria e non semplicemente assorbendola
o schermandola totalmente.
Villaggio CasAselvino Studio AIACE Milano
INVOLUCRI MODERNI
• Il tutto è possibile grazie alla innovazione tecnologica che ha permesso la
realizzazione di nuovi materiali passivi, attivi e ad alte prestazioni per l’involucro
edilizio.
• Possono essere
classificati quali
materiali passivi tutti
quelli che, grazie
semplicemente alla forma,
riescono a modificare la
quantità di energia
trasmessa (sia ottica che
energetica) in funzione
della inclinazione della
radiazione solare.
EVOLUZIONE DELL’INVOLUCRO EDILIZIO
Architettura HIGH-TECH
Architetture senza soluzione di continuità tra
chiusure verticali ed orizzontalipelle
•
studio di materiali innovativi derivati da
altri settori industriali
•
"contenitore" la cui forma è indipendente
dalla funzione svolta al suo interno, e
permette di compiere molteplici e
differenti funzioni al suo interno
•
Una peculiarità dell’architettura high-tech
è la trasparenza dell’involucro
Evoluzione della tecnologia di frontiera,
Consente di raggiungere progressivamente l’obiettivo dell’edificio
a energia negativa, che produce energia più di quanto ne usi
PERIODO DELLO
SVILUPPO
TIPO DI
INTERVENTO
SEZIONI DI
INTERVENTO
1975
isolamento stagione
fredda
Involucro
1990
+ isolamento
stagione calda
+ impianto
2000
+ recuperi termici e
frigoriferi
+ scambi
termovettori
2018
+ recuperi gas,
+ scambi
calore, elettricità fotovoltaici, eolici
QUALIFICAZIONE
ENERGETICA
TECNICHE E
TECNOLOGIE
energia controllata Resistenza diffusiva
Energia limitata
Resistenza radiativa
energia limitata
+ scambi da fl
termovettori in
accumuli naturali
energia zero
+, piccole idro
derivazioni,
biomasse
Comportamento fisico-tecnico di una parete
esterna
Relazioni da considerare in fase di progetto:
• trasmissione del calore,
• permeabilità al vapor d’acqua,
• tenuta all’aria;
• illuminazione naturale;
• isolamento acustico
• ANALISI TECNICO-ECONOMICA
Parametri parete
•
conduttività termica interna
•
spessore s
•
calore specifico cp
•
densità
•
coefficiente di adduzione sulle due facce, interna ed esterna, hi e he
•
coefficiente di assorbimento per la radiazione solare as (essenzialmente
per le pareti opache alla radiazione solare)
•
coefficiente di trasparenza per la radiazione solare ts (per le pareti
trasparenti alla radiazione solare)
•
fattore di schermatura Cs (per le pareti trasparenti alla radiazione
solare).
Parametri che influenzano la trasmissione di calore per
convezione e irraggiamento
•
le condizioni di moto dell’aria; la geometria della superficie e
il
gradiente
di
temperatura
influenzano
il
coefficiente
di
convezione.
•
le asperità superficiali e l’orientazione che modificano il moto
convettivo in prossimità della parete.
•
l’orientazione e la giacitura che influenzano la quantità di
energia raggiante ricevuta dal sole.
•
l’emissività, la temperatura della parete e dei corpi circostanti
che influenzano gli scambi termici radiativi.
Bilancio globale scambi parete
SCAMBI CONVETTIVI
E RADIATIVI
W
Valore del flusso termico (bilancio)
q
he Ts Te a S W
A
•
he, coefficiente di adduzione esterno
•
Ts, temperatura della superficie esterna
•
Te, temperatura dell’aria esterna
•
aS, assorbitività della superficie alla radiazione solare
•
W, radiazione solare
asW
He(TsTe)
Campi di radiazione solare
2
campi
che
tengono
conto
delle
diverse
proprietà
radiative dei materiali utilizzati in edilizia nelle due
regioni spettrali:
•
radiazioni
a
corta
lunghezza
d’onda
(
<
4
m;
radiazione solare)
•
e radiazioni ad elevata lunghezza d’onda ( > 4 m;
radiazione di corpi a temperatura ordinaria),
Assorbitività a materiali in funzione
Osservando i fattori di assorbimento per lunghezze d’onda corte (αc)
nella tabella si intuisce il perché, nell’Architettura Mediterranea le
pareti esterne degli edifici siano bianche e che questa sia
caratterizzata dal bianco, cioè che sia un’Architettura solare.
Materiale
Intonaco
bianco
Neve
Mattoni
rossi
Marmo
Legno di
quercia
Cemento
Ardesia
Asfalto
Acqua
Assorbitività per
radiazioni a bassa
lunghezza d’onda aC
0,12
Assorbitività per
radiazioni ad elevata
lunghezza d’onda aL
0,91
0,13
0,55
0,82
0,92
0,5-0,6
---
0,9
0,9
0,60
0,81
0,93
0,94
0,88
0,96
--0,95-0,96
Temperatura fittizia sole
Uno dei concetti più importanti per lo studio della Termofisica
dell’edificio è quella della Temperatura Aria-sole cioè di una
temperatura fittizia che tiene conto contemporaneamente sia degli
scambi termici (conduttivi e convettivi) con l’aria esterna che
dell’irraggiamento solare ricevuto.
Un modo sintetico per considerare i diversi
contributi di scambio termico che interessano
una superficie esterna è quello che utilizza
il concetto di temperatura aria-sole (o
temperatura fittizia al sole) Tfs.
Temperatura fittizia sole 2
Pertanto la temperatura aria-sole dipende dal fattore di
assorbimento dei materiali, dalle capacità di scambio convettivo
e dall’irraggiamento solare.
La temperatura aria-sole è legata all’esposizione della parete e
quindi al suo irraggiamento solare.
La
temperatura
aria-sole
è
quella
temperatura
dell’aria esterna che apporterebbe sulla superficie
esterna di una parete lo stesso flusso termico che si
ha nella realtà per effetto della radiazione solare
incidente e della adduzione con l’aria esterna.
Temperatura fittizia sole
L’espressione
q
he Ts Te a S W
A
Considera le semplificazioni legate all’introduzione del
coefficiente di adduzione esterno che comprende la valutazione del
• coefficiente di convezione hc
• Coefficiente di radiazione hr.
Quando la differenza di temperatura (Ts-Te) è piccola rispetto
alla temperatura media Tm e quando Ts Tm il coefficiente di
radiazione hr diventa semplicemente:
hr 4 n L T
3
m
espressione comodamente utilizzata nei calcoli.
Temperatura fittizia sole
L’introduzione della TF l’equazione
q
he Ts Te a S W
A
viene riscritta in tale modo
he Ts T fs he Ts Te a S W
(segno + rappresenta il flusso uscente dalla parete)
Esplicitando rispetto a Tfs
aS
T fs Te
W
he
•W radiazione solare incidente
(W/m2) sulla superficie
•aS coeff. Assorbimento parete
si ottiene una espressione generale della temperatura fittizia al sole.
Temperatura fittizia sole
• W
è
la
radiazione
solare
incidente
(W/m2)
sulla
superficie
• aS il relativo coefficiente di
assorbimento della parete.
Nella espressione della temperatura
fittizia occorre inserire appropriati
valori del coefficiente di adduzione
esterno; si può fare riferimento, in
tal senso, ai valori già individuati
in precedenza.
Nella
Figura
è
schematicamente
rappresentato l’andamento qualitativo
delle temperature in una parete opaca
irraggiata dal sole.
Pareti esterne trasparenti
Corretta illuminazione diurna adeguate superfici
vetrate.
Problematiche connesse ala presenza di superfici
vetrate:
• campi di radiazione fortemente asimmetrici con
effetti negativi sul comfort interno,
• rilevanti apporti di calore in estate,
• rapido raffreddamento notturno invernale con
conseguente esigenza di tempi di
preriscaldamento dell’impianto più lunghi.
Pareti esterne trasparenti
FATTORE DI LUCE DIURNA: Parametro atto
a caratterizzare il comportamento di
una superficie vetrata nei confronti
dell’illuminamento interno di un
ambiente dovuto all’illuminazione
naturale.
Esso è attualmente riconosciuto dalla
normativa italiana in ambito di edilizia
residenziale, scolastica ed ospedaliera
(Decreto Min. Sanità 5/7/75, Decreto Min.
18/12/75, Circ. Min. Lavori Pubblici
n.13011, 22/11/74) ed è prioritario per
garantire un’illuminazione diurna ottimale
nei locali.
Pareti esterne trasparenti
Valore da impostare in fase progettuale.
Scelte progettuali conseguenti:
• doppi vetri,
• schermature,
• vetri speciali
atti a limitare la incidenza dei problemi
suddetti.
Pareti esterne trasparenti
Il comportamento delle superfici esterne
trasparenti è fortemente influenzato dalla
caratteristica di trasmissione alla radiazione;
Si considerano i relativi bilanci energetici in
relazione alla diversa trasmissività che esse
presentano nei confronti della radiazione a bassa
lunghezza d’onda e ad elevata lunghezza d’onda.
Pareti esterne trasparenti
Le caratteristiche di trasparenza di una
superficie vetrata dipendono da:
• composizione del vetro (natura del corpo),
• spessore,
• lunghezza d’onda della radiazione
incidente,
• angolo di incidenza.
Pareti esterne trasparenti
Quando la radiazione solare incide su
un materiale trasparente:
•
una parte viene riflessa (r) e,
•
e
una parte di essa viene assorbita
successivamente riemessa (a);
•
una parte viene trasmessa in
funzione dei parametri che
riguardano la natura del materiale
stesso e le caratteristiche della
radiazione, come la distribuzione
spettrale e l’angolo di incidenza
(g).
Proprietà ottiche del vetro
Dipendenza dalla lunghezza d’onda
Energia
Trasmissività e
riflessività
Dipendenza dall’angolo di incidenza
Trasmissività spettrale
Angolo di incidenza (gradi)
1.
2.
3.
vetro normale s = 3 mm
vetro atermico grigio
vetro atermico verde
Lunghezza d’onda elettromagnetica in µm
Per angoli fino ai 45° i valori sono stabili, tra i 45° e i 65°
diminuiscono e dopo tale angolo limite le variazioni rispetto al valore
d’incidenza normale risultano significativamente diverse
Comportamento selettivo dei vetri:
• trasmette molto nella fascia compresa tra 0,3 e 3 m (fino a circa il 90% nel caso
di vetri normali chiari da 3 mm)
• praticamente nulla nella fascia al di sopra di 4 m, tipica della radiazione di
corpi neri a temperatura ordinaria (30°C).
Effetto serra
Angolo di incidenza si mantiene su valori inferiori a 50-60°:
l’energia raggiante incidente, in gran parte composta da
radiazioni a bassa lunghezza d’onda, è solo in piccola parte
rinviata o assorbita.
La quota più elevata penetra
nell’ambiente e viene essenzialmente
assorbita dalle pareti interne e dagli
oggetti; questi, essendo a temperature
ordinarie, emetteranno a loro volta
energia raggiante nell’estremo
infrarosso, con emissione spettrale
quindi per il quale il vetro risulta
praticamente opaco.
Ciò produce un innalzamento significativo
della temperatura media in ambiente
rispetto alla temperatura esterna
(effetto serra).
10 dicembre 2014
Principio sovrapposizione degli effetti
L’energia assorbita dalla lastra si trasforma in calore all’interno
di essa aumentandone la temperatura:
• raggiunta la condizione di regime, il calore viene ceduta dalla
lastra all’ambiente esterno e interno per convezione e per
radiazione ad elevata lunghezza d’onda.
La quota ceduta all’interno si aggiunge quindi alla quota trasmessa
per trasparenza:
• è possibile quantificare gli effetti ricorrendo al principio
della sovrapposizione degli effetti separando quelli relativi
alla trasmissione di calore per differenza di temperatura da
quelli
dovuti
all’irraggiamento
solare.
Bilancio termico di una parete vetrata
Il
bilancio
termico
di
una
parete
vetrata
si
scrive:
q U v A T fs Ti t s W A
con:
• Uv trasmittanza del vetro,
• Te la temperatura esterna,
• Tfs la temperatura fittizia al sole,
• W l’intensità della radiazione solare incidente espressa in
[W/m2],
• A l’area della superficie vetrata,
• ts trasmissività della parete vetrata per l’energia solare.
Principio sovrapposizione degli effetti
Esplicitando Tfs , mediante la
la
q U v A T fs Ti t s W A
diventa:
q U v A Te Ti
Posto FG t s as
Si ha:
aS
T fs Te
W
he
Uv
he
Uv
as W A t s W A
he
Detto COEFFICIENTE DI GUADAGNO SOLARE
q F W U v Te Ti A
Coefficiente di trasmissione solare Fg: definizione
Il coefficiente “g” definisce la permeabilità energetica complessiva di vetrate o finestre e indica la percentuale di luce
solare che penetra attraverso una superficie trasparente.
Quanto maggiore il coefficiente “Fg”, tanto maggiore risulta l'apporto luminoso e il guadagno termico. Con una
moderna vetratura con lastra a tre pareti questo valore è dello 0,55. Questo significa che il 55% dell'energia solare
incidente penetra all'interno dell'edificio. Il resto viene riflesso o assorbito dalla lastra.
Quanto più elevato il coefficiente “Fg”, tanto maggiore risulta il guadagno energetico.
Esso dipende dal coefficiente di trasmissione, dal coefficiente di assorbimento, dalla trasmittanza del vetro,
dalla conduttanza superficiale esterna.
Bilancio termico su una superficie vetrata
Intervenire su Fg
In che modo si può far variare il
fattore di guadagno solare Fg di un
vetro?
Riduzione di Fg:
• diminuzione di ts (e relativo aumento di as)
• aumento di ts (e relativa diminuzione di as).
Generalmente, essendo hi < he e quindi U < he,
la diminuzione di F e quindi del carico termico in ambiente
può avvenire mediante l’adozione di vetri ad elevato valore
di as (vetri atermici).
Controllo radiazione solare: climi
Il requisito principale per l’utilizzo di vetro in climi
caldi è garantire elevate prestazioni di controllo solare
per minimizzare il guadagno termico e di conseguenza il
carico energetico per il condizionamento, ed evitare il
surriscaldamento dell’ambiente, sempre dando per scontata
l’importanza dell’illuminazione naturale e della visibilità
verso l’esterno.
Controllo radiazione solare: climi temperati
Le prestazioni del vetro in climi temperati devono garantire
controllo solare e ridurre il surriscaldamento estivo pur
consentendo un elevato passaggio di luce e mantenendo i
benefici del riscaldamento solare passivo. I valori di
trasmissione energetica e luminosa non saranno dunque bassi
quanto quelli richiesti in zone climatiche calde.
Allo scopo di permettere una progettazione solare passiva, il
campo prestazionale dovrà essere:
• Trasmissione solare dal 20% al 70%
• Trasmissione luminosa dal 35% al 90%
• Valore U da 1.0 a 2.0 W/m2K
