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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
