il raffrescamento passivo degli edifici

IL RAFFRESCAMENTO PASSIVO DEGLI EDIFICI
Costruzione Ambiente Territorio - Ecotech
I.I.S. V. Capirola – Leno
Collegio Geometri e Geometri Laureati della Provincia di Brescia
10 aprile 2015
Ing. Davide Fappani
1
Cosa sono le
TECNICHE DI RAFFRESCAMENTO PASSIVO
DEGLI EDIFICI
dette anche
STRATEGIE DI RAFFRESCAMENTO PASSIVO
DEGLI EDIFICI
Si definiscono “passive” quelle tecniche (o strategie) progettuali,
costruttive e di gestione degli edifici che consentono di
garantire il comfort termico estivo desiderato senza impianto
di climatizzazione estiva, ovvero in presenza di impianto di
climatizzazione estiva con consumi molto modesti.
SPECIFICHE
•Perché l’aggettivo “ passivo “
•Comfort termico estivo
- differenza tra il comfort termico invernale ed estivo
- perché è importante la U.R.
- standard di riferimento
Inverno
: 20°C
Estate
: 26°C - 70% U.R.  30°C  30% U.R.
•Importanza del tema
Ing. Davide Fappani
2
Ing. Davide Fappani
3
STRATEGIE PROGETTUALI
1. Compattezza dell’edificio (p.5)
2. Corretto orientamento dell’edificio (p.8)
3. Disposizione e dimensioni delle finestre. Distribuzione interna degli ambienti. Il ricambio
naturale dell’aria. (p.10)
STRATEGIE COSTRUTTIVE
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Colore degli edifici (p.15)
Isolamento termico delle chiusure (p.18)
Massa delle chiusure. (p.19)
Tendenziale assenza di ponti termici (p.23)
Ventilazione del sottotetto (p.24)
Pareti ventilate (p.27)
Ombreggiamento delle finestre e loro bassa termotrasmittanza (p.32)
Divisori interni e solai di interpiano con massa elevata e buona termotrasmittanza (p.37)
Solaio a terra (p.40)
STRATEGIE EDUCATIVE
13. Corretto uso degli edifici da parte degli utenti
STRATEGIE URBANISTICHE
14. Pavimentazioni esterne
15. Verde esterno
16. Alberature esterne
17. Edifici esterni
18. Viabilità locale
Ing. Davide Fappani
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1 - COMPATTEZZA DELL’EDIFICIO
• Compattezza dell’edificio:
Propensione a massimizzare le superfici abitabili a parità di superficie
dell’involucro.
E viceversa.
• Parametro sintetico della compattezza: S/V.
• In inverno S/V basso.
• In estate S/V basso?
SÌ
• Diversità delle due situazioni:
In inverno S/V basso in assoluto
• In estate S/V basso teoricamente in rapporto al soleggiamento delle diverse
superfici che costituiscono l’involucro
• L’irradiazione solare di una superficie ha due componenti: diretta e diffusa.
Irradiazione globale = Irradiazione diretta + Irradiazione diffusa
In estate:
L’irradiazione diretta dipende da orientamento ed inclinazione della superficie
(massima su superficie orizzontale, etc).
L’irradiazione diffusa è indipendente da orientamento ed inclinazione
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5
Irradiazione solare globale giornaliera massima estiva a 46° di latitudine nord (kWh/m2).
Uni 10349: Riscaldamento e raffrescamento degli edifici – Dati climatici
TIPO DI
SUPERFICIE
IRRADIAZIONE
GLOBALE
Verticale
sud
Verticale
est o ovest
Verticale
nord
Orizzontale
di cui
diffusa
3,74
4,66
1,97
8,01
(1,42)
I diversi tipi di superficie subiscono irradiazioni molto diverse.
Il soleggiamento estivo mette in gioco quantità di energia molto elevate.
Esempio:
Edificio a due piani a forma di parallelepipedo
dimensioni in pianta: 20 x 10 m
altezza: 6m
facciate longitudinali: a sud e a nord
latitudine: 46° nord
Irradiazione giornaliera massima estiva in kWh
con facciate longitudinali a sud e nord.
SUD
20 x 6 = 120 m2 x 3,74 =
448,8 kWh
2
NORD
20 x 6 = 120 m x 1,97 =
236,4 kWh
2
EST
10 x 6 = 60 m x 4,66
=
279,6 kWh
2
=
279,6 kWh
OVEST
10 x 6 = 60 m x 4,66
COPERTURA
10 x 20 = 200 x 8,01
=
1.602,0 kWh
__________
Totale
=
2.846,4 kWh
Se rapportiamo tale energia alla superficie lorda abitabile si ha:
2.846,4 / (200 x 2) = 7,12 kWh/m 2ab.,l
Ing. Davide Fappani
6
Se rapportiamo l’energia alla superficie abitabile utile netta, pari
mediamente al 90% di quella lorda, si ha:
2.846,4 / (200 x 2 x 0,90) = 7,90 kWh/m 2ab.,n

Tale valore è la metà dell’intero consumo invernale di una casa-passiva
in altre parole:
In due giorni limpidi del mese di luglio arriva sull’edificio per irraggiamento
solare la stessa energia che servirebbe a scaldare l’edificio, se progettato
coi criteri della casa–passiva, per l’intera stagione invernale.
2 x 7,90 = 15,80 kWh/m2
15,0 kWh/m2·a
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7
2 - CORRETTO ORIENTAMENTO DELL’EDIFICIO
In inverno: facciate longitudinali a sud
In estate: stesso orientamento?
SI’
In estate muta, rispetto all’inverno, l’angolo di altezza solare:
in estate il sole è “alto”, in inverno il sole è “basso”.

Irradiazione solare giornaliera media mensile sulla città di Cremona, Mj/m2
UNI 10349 : Riscaldamento e raffrescamento degli edifici – Dati climatici
SUPERFICIE
MESE
GENNAIO
LUGLIO
SUD
EST/OVEST
ORIZZONTALE
NORD
6,3
11,1
3,1
16,5
3,9
25,9
1,6
9,4
Osservazione
In inverno: irradiazione massima su facciata sud
In estate: irradiazione minima su facciata sud
Torniamo all’esempio precedente.
Supponiamo di cambiare l’orientamento:
facciate longitudinale a est ed ovest.
Irradiazione giornaliera massima estiva in kWh
con facciate longitudinali ad est ed ovest.
SUD
NORD
EST
OVEST
COPERTURA
10 x 6 = 60 m2 x 3,74
10 x 6 = 60 m2 x 1,97
20 x 6 = 120 m2 x 4,66
20 x 6 = 120 m2 x 4,66
10 x 20 = 200 x 8,01
Ing. Davide Fappani
=
=
=
=
=
Totale
224,4 kWh
118,2 kWh
559,2 kWh
559,2 kWh
1.602,0 kWh
3.063,0 kWh
8
Il cambio di orientamento determina un aumento del carico termico giornaliero di:
3.063 – 2.846 = 217 kWh
corrispondente ad un aumento del:
216/2.846 = 7,6%
Osservazioni:
•Maggior parte delle finestre su facciate longitudinali;
•In estate molto importante ombreggiatura finestre;
•Su facciate sud (sole alto, bassa irradianza) ombreggiatura più facile che in facciate est ed ovest
(sole basso, irradiazione forte);
•Su facciate est ed ovest impossibile ombreggiatura con aggetti fissi.
Attenzione:
L’orientamento deve tenere conto anche della direzione prevalente del
vento durante il periodo estivo.
Direzione prevalente del vento importante per i ricambi.
In teoria ricambi massimi con facciate longitudinali perpendicolari alla direzione prevalente del
vento.
Le due istanze (soleggiamento, direzione del vento) non necessariamente coincidono.
Bisogna scegliere il “male minore”.
Se l’efficienza energetica riguarda sia l’inverno che l’estate devono
prevalere le esigenze invernali.
Ing. Davide Fappani
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3 - DISPOSIZIONE E DIMENSIONE DELLE FINESTRE
DISTRIBUZIONE INTERNA DEGLI AMBIENTI
IL RICAMBIO NATURALE DELL’ARIA
Disposizione e dimensione delle finestre e distribuzione degli ambienti
interni sono molto importanti.

IN INVERNO
per i meccanismi radiativi

IN ESTATE
per i meccanismi di ricambio
naturale dell’aria
Il ricambio naturale dell’aria si innesca per due motivi:
A : L’edificio viene investito da aria esterna in movimento, cioè dal vento.
B : La temperatura dell’aria interna è diversa dalla temperatura dell’aria
esterna.
Precondizione: le finestre devono essere aperte.
Ing. Davide Fappani
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MECCANISMO A
Consideriamo:
ANDAMENTO DEL FLUSSO D’ARIA INTORNO AD UN EDIFICIO:
Se un edificio è investito da un flusso d’aria esterna si crea una differenza di pressione principalmente tra la facciata investita
(facciata sopravento) e la facciata opposta (facciata sottovento).
Differenza di pressione, più modesta, si ha anche con le facciate laterali.
La differenza di pressione induce il ricambio d’aria.
Precondizioni:
•Almeno due finestre, appartenenti a facciate opposte, contemporaneamente aperte.
•L’aria proveniente dalla finestra sopravento deve poter raggiungere la finestra sottovento.
Problema fluidodinamico complesso. Il ricambio dipende da molti fattori:
•Velocità dell’aria;
•Dimensione delle finestre;
•Dimensione delle eventuali porte interne;
•Angolo di incidenza del vento sulla facciata considerata: θ;
•Geometria della facciata e della copertura;
•Densità urbana nell’intorno dell’edificio;
•Altezza dell’edificio considerato rispetto agli edifici circostanti.
Problema risolvibile con:
•Equazioni che sfruttano coefficienti empiricamente rilevati.
•Programmi di calcolo di termofluidodinamica.
Ing. Davide Fappani
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MECCANISMO B
Consideriamo la seguente sezione di un ambiente interno.
Ti > Te
A1= Area della finestra superiore
A2 = Area della finestra inferiore
H = Distanza tra i baricentri delle due finestre
Ti = Temperatura aria interna
Te = Temperatura aria esterna
L’aria interna più calda tende a salire ed uscire dalla finestra superiore  Depressione
interna  Dalla finestra inferiore entra aria esterna
EFFETTO – CAMINO
In realtà le finestre sono alla stessa quota, tuttavia l’effetto camino permane:
zona architrave
zona centrale
zona davanzale
≡ finestra superiore
≡ zona neutra
≡ finestra inferiore
Ing. Davide Fappani
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Problema fluidodinamico complesso, ma dipendente da un minore numero di fattori:
-differenza di temperatura aria interna - aria esterna
-distanza tra il baricentro zona uscita-zona entrata aria
-area della zona di entrata ed area della zona di uscita aria
- perdite di carico locali (forma della finestra)
I due meccanismi, nelle condizioni che mediamente si verificano, non hanno la stessa efficacia.
Ricambi meccanismo A
>
(ventilazione trasversale)
Ricambi meccanismo B
(effetto camino)
UNI 10375/95 propone i seguenti valori:
• Ventilazione trasversale: 12 m3/hm3
• Ventilazione frontale
: 3 m3/hm3
(meccanismo A)
(meccanismo B)
Valori prudenziali

appropriati per Pianura Padana
•Velocità vento molto bassa
•Direzione prevalente vento: est
Ing. Davide Fappani
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Velocità giornaliera del vento, media annuale.
Località
Alessandria
Cremona
Mantova
Velocità del vento m/s
1,2
1,4
0,9
Direzione prevalente
Sud - est
Est
Est
Brescia
1,5
Est
Milano
Parma
Reggio Emilia
Verona
Padova
1,1
1,1
1,2
0,9
1,1
Sud – ovest
Est
Est
Est
est
Ricambio d’aria estivo notturno fattore determinante per il
raffrescamento passivo.

CONSEGUENZE PROGETTUALI
a- Garantire la ventilazione passante.
b- Valutare con attenzione l’orientamento: θ > 60°.
c- Finestre verso nord sufficienti: ~ il 15% della dimensione della facciata.

minore importanza della distribuzione interna rispetto alla distribuzione derivante dalle
considerazioni sul periodo invernale.
d- Sicurezza alle intrusioni: inferriate, zanzariere.
e- Meglio le finestre alte (per effetto camino): base x altezza = 2 x 3
Ing. Davide Fappani
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4 - COLORE DEGLI EDIFICI
Energia da radiazione solare molto elevata.
L’energia radiante che colpisce un corpo opaco viene in parte assorbita ed in parte riflessa.
energia assorbita
 = coefficiente di assorbimento = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
energia incidente
energia riflessa
ρ = coefficiente di riflessione = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
energia incidente
Primo principio della termodinamica :  +  = 1
I fenomeni radiativi sono fenomeni superficiali

importanza del trattamento superficiale
Coefficiente di assorbimento solare
Superficie
Alluminio
lucido
anodizzato
in foglio
Rame
lucido
ossidato
Acciaio inossidabile
lucido
opaco
s
0,09
0,14
0,15
0,18
0,65
0,37
0,50
Superficie
Metalli placcati
ossido di nickel nero
cromo nero
Calcestruzzo
Marmo bianco
Laterizio rosso
Asfalto
Vernice nera
Vernice bianca
Neve
Pelle umana
(razza caucasica)
Ing. Davide Fappani
s
0,92
0,87
0,60
0,46
0,63
0,90
0,97
0,14
0,28
0,62
15
Pareti intonacate
Colore superficie esterna
Pareti intonacate – UNI 10375

Bianco
0,14
Nero
0,97
Colore superficie esterna

Chiaro
Medio
0,30
0,60
Scuro
0,90
L’equazione che determina la temperatura superficiale esterna è:
θe,t = θa e,t + α It/he
θe,t
θa e,t
α
It
he
= temperatura superficiale esterna all’ora t (°C)
= temperatura aria esterna all’ora t (°C)
= coefficiente di assorbimento dell’irradiazione solare (%)
= irradianza solare incidente sulla superficie all’ora t (W/m2)
= coefficiente superficiale di scambio termico convettivo/radiativo
(W/m2°C)
Ing. Davide Fappani
16
Concentriamo l’attenzione sull’incremento di temperatura
∆θe,t = α It/he
Esempio 1: Parete chiara
Supponiamo:
It = 630 W/m2 (ore 8,0 parete sud-est 46° lat. Nord)
he = 14,5 W/m2°C
α = 0,30
∆θe,t = (6,30 x 0,3) / 14,5 = 13°C
Esempio 2: Parete scura
Stesse condizioni esterne
α = 0,90
∆θe,t = (6,30 x 0,9) / 14,5 = 39°C
Ing. Davide Fappani
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5 - ISOLAMENTO TERMICO DELLE CHIUSURE
In inverno
•Spessore degli strati isolanti: determinante
•Flusso energetico: monodirezionale
In estate in assenza di impianti di condizionamento
Situazione diversa:
Bilancio energetico rilevante: giornata tipo prescelta

In questa situazione il flusso energetico è bidirezionale: l’energia entra durante il giorno ed esce durante la notte

SPESSORE DELLO STRATO ISOLANTE: IRRILEVANTE NEL PERIODO ESTIVO
Alti spessori  bassa termotrasmittanza  entra poca energia di giorno, ma simmetricamente esce poca energia
di notte.
Paradossalmente:
chiusure opache con alti spessori dello strato isolante possono originare un incremento della temperatura media
interna rispetto alla temperatura media interna originata da chiusure opache con spessori dello strato isolante
medi o minimi (irraggiamento attraverso finestre, apporti gratuiti interni).
Tali differenze non sono molto rilevanti e comunque recuperabili in un quadro di corretta applicazione delle
tecniche di raffrescamento passivo.
Quindi:
SÌ ai grandi spessori dello strato isolante, ma solo per i bilanci energetici invernali.
In sintesi:
Illusorio voler migliorare la temperatura interna estiva, in assenza di impianti di
condizionamento, mediante gli strati isolanti.
Ing. Davide Fappani
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6 - MASSA DELLE CHIUSURE
In inverno
Flussi energetici monodirezionali di lunga durata
Bilanci in regime stazionario
massa irrilevante
In estate
Flussi energetici bidirezionali, di breve durata giornata tipo estiva
bilanci in regime variabile
Introduzione del parametro
tempo
Introduzione del parametro:
capacità termica volumetrica
Cvol = ρ·c
Cvol = capacità termica volumetrica (J/m3 K)
ρ = densità (Kg/m3)
c = calore specifico
o meglio
capacità termica massica (J/Kg K)
Ing. Davide Fappani
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IN GENERALE
In regime stazionario
Le temperature θ (e quindi i flussi di energia) sono θ = θ (s, λ, h)
con:
θ = temperature punto per punto nella parete (°C)
s = spessore dei vari strati (m)
λ = conduttività termica dei vari strati (W/m°C)
h = conduttanze superficiali (W/m2°C)
In regime periodico
Le temperature θ (e quindi i flussi di energia) sono θt = θt (s, λ, h, ρ, c)
con:
θt = temperature punto per punto nella parete al tempo t
s = spessore dei vari strati (m)
λ = conduttività termica dei vari strati (W/m°C)
h = conduttanze superficiali (W/m2°C)
ρ = densità dei vari strati (Kg/m3)
c = calore specifico dei vari strati (J/Kg)
Ing. Davide Fappani
20
IN PARTICOLARE
Se il sistema è monodirezionale (chiusure) e se la variazione delle temperature di una faccia
è di tipo armonico (faccia esterna delle chiusure) si ha:
Le temperature interne sono una sinusoide sfalsata nel tempo ed appiattita, ovvero attenuata,
rispetto alla sinusoide delle temperature esterne.
Sfasamento:
φ = intervallo di tempo tra i valori massimi (o minimi) delle
temperature, misurato in ore.
Fattore di attenuazione:
fa = rapporto tra l’ampiezza dell’onda (o semionda) interna delle
temperature e l’ampiezza dell’onda (o semionda) esterna delle
temperature; grandezza adimensionale.
Ing. Davide Fappani
21
1° CASO
Coefficiente di attenuazione e sfasamento (in ore) per pareti verticali con isolamento ripartito.
m
Kg/m2
U
W/(m2°C)
<0,4
fa
0,45
150
φ
6
fa
0,35
200
φ
8
fa
0,25
250
φ
10
fa
0,15
300
φ
12
fa
0,10
350
φ
14
fa
0,07
400
φ
16
0,4-0,6
0,48
6
0,40
8
0,30
9
0,20
10
0,15
12
0,12
14
0,6-0,8
0,54
6
0,46
8
0,35
9
0,27
10
0,20
12
>0,8
0,60
6
0,50
8
0,43
8
0,27
10
0,20
12
U = termotrasmittanza termica della parete
m = massa fisica areica della parete (ottenuta come somma dei prodotti della massa volumica di ciascuno strato per il relativo spessore)
0,14
0,14
14
14
Osservazioni sulle pareti monostrato:
fa diminuisce (migliora) con la massa, aumenta con la termotrasmittanza
φ aumenta (migliora) con la massa
2° CASO
Coefficiente di attenuazione e sfasamento per pareti verticali con isolamento concentrato.
Tipo di parete
Posizione isolamento
muratura portante
-con isolamento
concentrato
muratura non portante
-con isolamento
concentrato
pareti di tamponamento
-prefabbricate multistrato
interno
intermedio
esterno
interno
intermedio
esterno
Isolante con spessore
0,28
0,22
0,20
0,48
0,44
0,40
φ
h
11
11
11
8
8
8
0,75
4
1,0
0
fa
-pareti finestrate
Osservazioni sulle pareti con isolamento:
- Idem come pareti monostrato
- Attenzione alla posizione dell’isolante (migliore posizione esterna)
-Perché sfasamento e attenuazione devono essere rispettivamente alto e basso?
-Norma UNI EN ISO 13786/2008 Prestazione termica dei componenti per l’edilizia. Caratteristiche termiche dinamiche. Metodi di
calcolo
Ing. Davide Fappani
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7 - TENDENZIALE ASSENZA PONTI TERMICI
• Importanza marginale per il periodo estivo.
• Grande importanza per il periodo invernale.
• Eliminazione ponti termici facilitata dall’isolamento esterno.
• Isolamento esterno migliora il fattore di attenuazione fa.
Ing. Davide Fappani
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8 - VENTILAZIONE DEL SOTTOTETTO
In inverno
Copertura: una chiusura come le altre
Unico parametro rilevante: la termotrasmittanza
In estate
Situazione molto diversa per vari motivi:
•L’irradiazione è massima sulla copertura:
8 kWh/m 2 in un giorno (4 sulle pareti soleggiate, 2 sulle pareti nord)
•Tegole o guaine: materiali scuri, quindi elevato valore di α

temperature superficiali esterne molto alte e per molte ore

flusso termico diurno molto alto poiché con gli strati isolanti non si va da nessuna parte

unica strategia economica ed efficace
VENTILAZIONE DEL SOTTOTETTO
Cos’è una copertura ventilata?
Perché una copertura ventilata è più efficiente?
Ing. Davide Fappani
24
Determinazione quantitativa del problema da Norma UNI 10375/95
0,05 Ih,t
θe,t = θa e,t + ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
0,35 nr,t V
1 + ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
At Ut
θe,t = temperatura del sottotetto all’ora t (°C)
θa e,t = temperatura aria esterna all’ora t (°C)
Ih,t = irradianza solare totale orizzontale sulla superficie esterna del
tetto all’ora t (W/m2)
0,05 = rapporto tra coefficiente di assorbimento della radiazione
solare e coefficiente superficiale di scambio termico.
Valori sottintesi: α = 0,7; he = 14,5
0,35 = calore specifico aria (KWh/m3 °C)
nr,t = ricambi d’aria nel sottotetto (m3/h m3)
V
= volume del sottotetto (m3)
At = area del tetto (m2)
Ut = trasmittanza termica del tetto
(da calcolare con he = 8,2 W/m2 °C)
Il numero dei ricambi d’aria nr,t dipende dalle dimensioni delle aperture.
I valori proposti sono:
1,5
per
Ap/AT < 0,01
6,0
per
0,01 < Ap/AT < 0,05
12
per
Ap/AT > 0,05
dove Ap: media tra le aree delle aperture con aria in entrata e le aree
delle aperture con aria in uscita.
Ing. Davide Fappani
25
Osservazioni
• La temperatura del sottotetto diminuisce con:
aumento dei ricambi
aumento dell’altezza media V/AT
con la diminuzione della termotrasmittanza del tetto
• Si può passare da valori della temperatura superficiale esterna di 70°C a valori di 40°C.
Considerazioni sulle diverse tipologie di coperture.
Considerazioni sulle leggi regionali che consentono il recupero dei sottotetti.
L.R. 22/99 L.R. 12/05 L.R. 20/05
ESEMPIO NUMERICO
1° caso: buona ventilazione (nr,t= 12 m3/hm3)
la temperatura del sottotetto vale:
0 , 05  810
 e  32 
 32  9 ,8  41 ,8 ( C )
0 , 35  12  1,5
1
2
2° caso: nessuna ventilazione (nr,t= 0)
la temperatura del sottotetto vale:
0,05  810
e  32 
 32  40,5  72,5(C )
0,35  0  1,5
1
2
Ing. Davide Fappani
26
9 - PARETI VENTILATE
Stratigrafia di base della parete ventilata
Ing. Davide Fappani
27
• La copertura ventilata appartiene “da sempre” alla tradizione costruttiva del nord Italia.
• Viceversa la parete ventilata è una soluzione costruttiva elitaria e recente
o Si diffonde negli anni ’80 per il terziario di rappresentanza.
o E’, ancora oggi, assente nell’edilizia residenziale.
o Motivazioni estetiche (tipologia infinita di rivestimenti)
o Motivazioni che riguardano il miglioramento di processo.
o Solo negli ultimi tempi accento sul contributo al buon comportamento estivo
(nei primi sistemi di supporto: spazio disponibile per isolante e ventilazione di soli 8 cm; poca importanza ai dispositivi di entrata ed uscita
aria).
o Situazione cambiata solo recentemente con le pareti “a doppia pelle”
• Ancora oggi la parete ventilata è percepita come soluzione che offre alte prestazioni, ma
complessa e costosa.
• Percezione falsa per le pareti ventilate con paramento esterno autoportante
o Soluzioni costruttive a doppio paramento con isolante intermedio molto diffuse, ma usate
per le pareti “con intercapedine”.
o Differenze tra pareti “con intercapedine” e pareti ventilate.
o Pareti ventilate con paramento esterno autoportante:
soluzione “povera”, ma efficace; poco utilizzata.
Ing. Davide Fappani
28
Schema flussi termici di parete ventilata
Problema complesso. Da cosa dipende l’energia trasmessa.
Immaginando di essere in regime stazionario, l’energia trasmessa (per unità di tempo) dipende da:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
temperatura aria esterna;
radianza solare;
velocità e direzione locale del vento rispetto alla parete considerata;
temperatura media radiante ambiente esterno;
emissività media ambiente esterno;
rugosità esterna della parete;
coefficiente di assorbimento solare della parete;
altezza dei canali;
spessore dei canali;
larghezza dei canali;
conformazione delle aperture di entrata dell’aria nei canali;
conformazione delle aperture di uscita dell’aria dai canali;
rugosità interna dei canali;
emissività delle facciate interne dei canali;
termotrasmittanza della parete interna vera e propria (la quale a sua volta dipende dallo spessore e dalla conducibilità degli strati che la compongono e dal coefficiente superficiale interno).
Ing. Davide Fappani
29
Ordine di grandezza:
una buona parete ventilata può tranquillamente dimezzare l’incremento della temperatura
esterna e quindi il flusso di energia trasmesso verso l’interno rispetto ad una parete con gli
stessi strati, ma senza ventilazione.
Tuttavia prima di decidere se adottare una parete ventilata tenere presente che:
•Non sensato adottare pareti ventilate e dimenticarsi di realizzare coperture ventilate
(irradiazione su pareti soleggiate pari a 1/2 e su pareti nord pari a 1/4 di quella sulla
copertura).
•La temperatura superficiale esterna (quindi l’energia trasmessa verso l’interno) dipende
anche dal coefficiente di assorbimento solare α.
L’equazione che determina la temperatura superficiale esterna è :
θe,t = θa e,t + α It/he
θe,t
θa e,t
α
It
he
= temperatura superficiale esterna all’ora t (°C)
= temperatura aria esterna all’ora t (°C)
= coefficiente di assorbimento dell’irradiazione solare (%)
= irradianza solare incidente sulla superficie all’ora t (W/m2)
= coefficiente superficiale di scambio termico convettivo/radiativo (W/m2°C)
Ing. Davide Fappani
30
Concentriamo l’attenzione sull’incremento di temperatura
∆θe,t = α It/he
Esempio 1: Parete chiara
Supponiamo:
It = 630 W/m2 (ore 8,0 parete sud-est 46° lat. Nord)
he = 14,5 W/m2°C
α = 0,30
∆θe,t = (6,30 x 0,3) / 14,5 = 13°C
Esempio 2: Parete scura
Stesse condizioni esterne
α = 0,90
∆θe,t = (6,30 x 0,9) / 14,5 = 39°C
•Gli incrementi di temperatura esterna determinano gli incrementi di energia in entrata sia per le pareti con
ventilazione sia per le pareti senza ventilazione.
•E’ vero che una buona parete ventilata dimezza l’incremento di energia in entrata rispetto alla stessa parete
non ventilata, ma è altrettanto vero che posso ridurre di 3 volte (39/13 = 3) tali incrementi usando colori
chiari, anziché colori scuri.

•Prima di decidere se è necessario usare una parete ventilata valutare se è sufficiente l’adozione di colori
chiari (tinteggiare di bianco un edificio costa molto meno che fare una parete ventilata).
•Ventilazione difficoltosa in corrispondenza della porzione di parete tra due finestre.
•Tecnica molto efficace ma poco utilizzata: pergolati a parete che sostengono arbusti rampicanti.
Ing. Davide Fappani
31
10 - OMBREGGIAMENTO DELLE FINESTRE
E LORO BASSA TERMOTRASMITTANZA
In inverno
•Massimizzare i contributi solari delle superfici trasparenti.
•Finestre grandi rivolte a sud.
In estate
Situazione esattamente capovolta: minimizzare i contributi solari delle superfici trasparenti.
•Architettura mediterranea.
•Architettura lombarda: i grandi porticati
•Limiti di queste scelte.
•Balconi ed aggetti orizzontali
INCLINAZIONE RADIAZIONE SOLARE
•Altra schermatura fissa: i frangisole
Ing. Davide Fappani
32
SCHERMATURE MOBILI ‐ UNI 8369
Schermature interne:
le tende interne;
gli scuretti;
le tende alla veneziana.
Schermature esterne:
le imposte o ante esterne;
le persiane avvolgibili o “avvolgibili” o “tapparelle”;
le tende alla veneziana;
i frangisole verticali o orizzontali mobili;
le tende esterne.
Schermature esterne: più efficaci
Radiazione assorbita e riflessa prima che colpisca il vetro, che rimane circa alla temperatura dell’aria.
Energia assorbita dallo schermo scalda l’aria e l’ambiente esterno.
Schermature interne: meno efficaci
La radiazione colpisce direttamente il vetro che si scalda di più.
La radiazione trasmessa dal vetro colpisce lo schermo interno che a sua volta riflette, assorbe e trasmette.
L’energia assorbita dallo schermo scalda questa volta l’aria e l’ambiente interni.
In altre parole: la schermatura interna riduce molto meno “l’effetto serra” dei vetri.
Per le schermature interne attenzione anche ai colori.
Ing. Davide Fappani
33
Fattori di trasmissione solare τeq.
Tipo di vetro
Vetro senza
schermi
Finestra con tenda
leggera
media
pesante
Finestra con veneziana interna a
45°
chiara
scura
1 Vetro .
2 Vetro .
1+1 Vetrocamera
3 Vetro assorb.
0,87
0,76
0,76
0,46
0,52
0,47
0,46
0,29
0,25
0,24
0,23
0,18
0,06
0,06
0,05
0,04
0,29
0,28
0,26
0,17
0,29
0,28
0,26
0,17
3+1
0,40
0,26
0,13
0,05
0,15
0,15
4 Vetro rifl. 24-48
0,28
0,17
0,08
0,03
0,11
0,10
4+1
0,24
0,16
0,08
0,03
0,09
0,09
Finestra con veneziana esterna a
45°
chiara
scura
0,29
0,28
0,27
0,29
0,28
0,27
Fattori di assorbimento solare αeq.
Tipo di vetro
Vetro senza
schermi
leggera
1
Finestra con veneziana interna a 45°
Finestra con tenda
media
pesante
chiara
scura
1+1
3
0,02
0,05
0,08
0,27
0,15
0,18
0,17
0,35
0,42
0,42
0,41
0,5
0,72
0,68
0,68
0,63
0,15
0,19
0,19
0,39
0,33
0,38
0,34
0,45
3+1
0,18
0,27
0,40
0,53
0,29
0,36
4
0,34
0,39
0,57
0,49
0,41
0,45
4+1
0,23
0,26
0,34
0,41
0,28
0,32
2
Finestra con veneziana esterna a
45°
chiara
scura
0,02
0,05
0,04
0,04
0,02
0,06
Situazione migliore:
Situazione peggiore:
veneziana esterna chiara
schermo interno scuro
Tende alla veneziana:
consentono di dosare con continuità la luce e quindi di regolare al meglio i flussi
Altre schermature:
regolazione del tipo tutto – niente – poco.
Ing. Davide Fappani
34
Osservazioni:
•Nel caso di schermi interni la regolazione del flusso di luce ha importanza ai fini
dell’abbagliamento, ma ha importanza relativa dal punto di vista energetico, perché
la riduzione del flusso si traduce in un aumento non dissimile dall’assorbimento di
energia da parte dello schermo che si scalda.
Tale energia viene poi restituita all’ambiente sotto forma di onde lunghe
(reirraggiamento) e per convezione.
•Nel caso di schermi esterni la diminuzione del flusso di luce si traduce quasi
integralmente in una riduzione del flusso di energia entrante.
•Non tutti gli ambienti necessariamente vengono utilizzati durante le ore diurne:
non illuminare serve se gli schermi sono esterni, serve a poco se gli schermi sono
interni.
In sintesi:
Schermi esterni, chiari, chiusi quando gli ambienti interni non sono
utilizzati, aperti quanto basta quando gli ambienti interni sono utilizzati.
Strategia indispensabile nel caso di grandi vetrate (diversamente surriscaldamento
inaccettabile).
Ing. Davide Fappani
35
TERMOTRASMITTANZA DELLE VETRATE
Teoricamente in un edificio privo di condizionamento:
scarsa importanza estiva dell’iperisolamento delle vetrate (cioè della loro bassa
termotrasmittanza come per le pareti e le chiusure opache in genere).
Differenza fondamentale tra le finestre e le pareti:
• Le pareti sono fisse
• Viceversa le finestre possono essere aperte durante la notte

In questo caso l’iperisolamento delle vetrate diventa positivo:
riduce il flusso di energia in entrata durante il giorno, non limita il flusso in uscita
durante la notte.
Ing. Davide Fappani
36
11 - DIVISORI INTERNI E SOLAI DI INTERPIANO CON
MASSA ELEVATA E BUONA TERMOTRASMITTANZA
Tutte le 10 strategie finora illustrate hanno un unico obbiettivo: minimizzare il valore medio della temperatura dell’aria interna all’edificio
ovvero di
minimizzare il valore della temperatura di equilibrio tra i flussi entranti di energia (ore diurne) e i flussi uscenti (ore notturne).
La temperatura media è appunto un valore medio.
In realtà essa varia ora per ora: assume valori più alti durante il giorno, valori più bassi durante la notte (regime non stazionario).
L’entità di tali scostamenti dipende dalla “inerzia termica” dell’edificio nel suo complesso, cioè dalla “lentezza” del sistema a reagire alle perturbazioni.
Attenzione:
L’inerzia termica è determinata non solo dalle chiusure opache (pareti perimetrali, coperture, solai a terra, solai su spazi aperti), ma anche dalle partizioni interne sia verticali che orizzontali (divisori e solai di interpiano).
Determinazione quantitativa degli scostamenti:
Operazione complessa:
Una modellizzazione semplificata ed elegante è quella in UNI 10375:
θa,t  am 
 T,t  H T  am
YT
θa,t = temperatura aria interna all’ora t (°C)
θam = temperatura media giornaliera dell’aria
interna (°C)
ΦT,t = carico termico all’ora t (W)
HT = coefficiente di trasmissione termica globale
della struttura (W/°C)
YT = ammettenza termica globale della struttura
(W/°C)
Ing. Davide Fappani
37
Invece che la “inerzia termica” il modello UNI 10375 utilizza la:
Ammettenza: grandezza fisica (il cui nome deriva dall’analogia con i fenomeni e le grandezze che
connotano i circuiti elettrici) che indica il flusso di energia in regime variabile che attraversa il
sistema per ogni °C di variazione della temperatura.
L’equazione dice che lo scostamento della temperatura media dell’aria interna all’ora t, pari a θa,t ‐ θam, a causa del carico termico ΦT,t che entra (o esce) nell’ora t, è, a parità di altre condizioni, inversamente proporzionale alla ammettenza termica globale YT :
se YT aumenta lo scostamento si riduce; e viceversa.
Procedimento di calcolo di YT piuttosto laborioso.
In questa sede è sufficiente osservare che YT:
• Cresce al crescere della termotrasmittanza U dei divisori e dei solai;
• Cresce al crescere della massa dei divisori e dei solai;
• Mal sopporta la presenza di strati di isolamento termico superficiali (esempio: controsoffitti isolanti, pavimenti sopraelevati isolanti).

Divisori e solai di interpiano devono essere:
• Tendenzialmente pesanti;
• Con buona termotrasmittanza;
• Senza strati di isolamento termico superficiali.
Ing. Davide Fappani
38
Osservazione:
In realtà la YT è determinata, oltre che da divisori e solai di interpiano, anche dalle chiusure opache sia verticali che orizzontali (per le quali valgono le stesse considerazioni).
Poiché però nelle chiusure sono necessariamente presenti forti strati di isolamento esterni (bilanci invernali) unico modo per avere buone ammettenze è quello di avere masse elevate.
Ricordo inoltre che le chiusure con isolamento esterno e masse elevate all’interno danno buoni risultati in merito ad attenuazione e sfasamento.

In sintesi
la massa dell’edificio, sia nelle chiusure che nelle partizioni interne, è un fattore decisivo nel comportamento estivo di un edificio in assenza di impianto di condizionamento.
Insufficienza delle strategie progettuali che trascurano la massa:
• Molte case passive.
• Costruzioni “stratificate a secco” ovvero “struttura/rivestimento”.
Ing. Davide Fappani
39
12 - SOLAIO A TERRA
La temperatura del sottosuolo varia durante l’anno in funzione:
•della profondità considerata;
•del periodo di tempo considerato;
•della natura del terreno (λ del terreno);
•del trattamento superficiale (pavimentazione assente/presente, vegetazione assente/presente).
•Man mano che la profondità aumenta le variazioni si riducono e la temperatura tende a stabilizzarsi.
•Oltre una certa profondità temperatura rimane costante.
Durante l’estate la temperatura interna degli edifici è maggiore di quella del sottosuolo, per cui si verifica un
benefico flusso di energia dagli ambienti in contatto con il terreno al terreno stesso.
La determinazione dei flussi di energia risulta complessa: conduzione termica in regime variabile in solidi
semi-infiniti.
UNI 10375 semplifica il problema in modo prudenziale e stabilisce:
•spessore convenzionale del sottosuolo;
•temperatura convenzionale del sottosuolo: 22°C
Poiché la temperatura media dell’aria interna è maggiore di 22°C, si verifica un flusso dall’edificio al terreno.
Teoricamente tale flusso andrebbe incentivato:
•assenza di strati di isolamento termico;
•sottofondi e pavimenti con buona conducibilità termica.
Praticamente ciò non è possibile:
gli incentivi (assenza di strati di isolamento termico e sottofondi con buona conducibilità termica)
permangono anche in inverno, quindi dispersioni termiche inaccettabili.
Ing. Davide Fappani
40
Tra le due esigenze antitetiche deve prevalere quella invernale

Termotrasmittanza bassa anche nel solaio a terra
La bassa termotrasmittanza è ottenibile in due modi:
1. Sottofondi con λ bassi (calcestruzzi alleggeriti) ed elevati spessori;
2. Specifico strato di isolamento termico, più sottofondi in calcestruzzo normale.
Meglio la seconda soluzione:
il flusso di energia dall’interno al sottosuolo rimane basso, ma questa soluzione
da un contributo importante all’aumento della ammettenza totale (massa elevata
e conduttività elevata degli strati che precedono l’isolante termico).
Ing. Davide Fappani
41
SIMULAZIONE secondo UNI 10375
Confronto tra diverse tipologie costruttive
Tipologia
costruttiva
Tecniche di
raffrescamento
Casa
Storica
θam
θmax
θmin
∆θ
Nessuna
31,10
31,35
30,10
1,20
Tutte
24,30
24,80
23,95
0,85
Casa
Attuale
Nessuna
31,55
32,35
30,80
1,50
Tutte
24,30
24,80
23,75
1,00
Casa
Passiva
Nessuna
46,40
60,95
37,70
23,25
Tutte
28,90
35,75
22,35
13,40
PRINCIPALI CARATTERISTICHE
- Casa storica: muri esterni in mattoni sp. 50 cm, muri interni in mattoni sp. 50 cm, solai
pesanti, finestre facciata sud = 10%
- Casa Attuale : muri esterni con intercapedine isolata, muri interni in mattoni forati, solai
pesanti, finestre facciata sud = 15%
- Casa Passiva: muri esterni leggeri superisolati, muri interni in cartongesso, solai leggeri in
legno, finestre facciata sud = 40%
Ing. Davide Fappani
42
LINEE GUIDA PER LA PROGETTAZIONE DI EDIFICI AD ALTA
EFFICIENZA ENERGETICA . Edifici “passivi”
RILEVANZA DEI SINGOLI FATTORI IN MERITO ALLA EFFICIENZA ENERGETICA DELL’EDIFICIO
=
 =
IMPORTANTE
= MOLTO IMPORTANTE
DANNOSO
///
= IRRILEVANTE
STRATEGIE PROGETTUALI:
FATTORI ARCHITETTONICI E COSTRUTTIVI
1
2
Edificio tendenzialmente compatto
Corretto orientamento dell’edificio
Facciate longitudinali a sud ed a nord
3
Chiusure opache molto isolate:
spessore isolante termico ≥ .
BUON
COMPORT.
INVERNALE
BUON
COMPORT.
ESTIVO





///

///

///

Pareti perimetrali, coperture, solai su spazi aperti
4
Tendenziale assenza di ponti termici
5
6
Collocazione tendenzialmente esterna dell’isolante termico nelle
chiusure opache
Grandi superfici finestrate a sud
7
Finestre ad alta efficienza energetica
Telai con bassa termotrasmittanza, vetri a doppia camera e basso-emissivi
8
Assenza di ombre portate su finestre soleggiate
Portici, edifici antistanti, edifici laterali, edifici a corte, alberature sempreverdi
Ing. Davide Fappani





43
STRATEGIE PROGETTUALI:
FATTORI ARCHITETTONICI E COSTRUTTIVI
9
Colore delle chiusure opache molto chiaro: tendenzialmente bianco
Pareti perimetrali, coperture
10
Coperture iperventilate
11
Pareti perimetrali ventilate
Est, sud, ovest
12
13
14
Dispositivi di oscuramento delle finestre:
esterni e regolabili
Abbondanza di superfici finestrate anche in lato nord
Massa elevata delle chiusure esterne opache:
Pareti perimetrali, primo solaio o solaio a terra, ultimo solaio
15
Partizioni interne con massa elevata e buona termotrasmittanza
Solai intermedi, divisori
16
17
Isolanti termici nelle partizioni interne in posizione tendenzialmente
centrale
Pavimenti ovvero solai su terra: molto isolati
18
Collocazione dell’isolante termico dei pavimenti ovvero solai su terra
il più esterno (ovvero in basso) possibile
19
Ventilazione notturna passante delle masse dell’edificio
Ing. Davide Fappani
BUON
COMPORT.
INVERNALE
BUON
COMPORT.
ESTIVO
///

///
///
///

///
///






///

///



///

44
TERRITORIO
US
O
IMPIANTI
ALTRE STRATEGIE: FATTORI
IMPIANTISTICI, GESTIONALI, URBANISTICI
20 Tenuta all’aria dell’edificio e ricambi d’aria controllati
21
Presenza di scambiatori interrati
22
Scambiatori per recupero calore dall’aria in uscita
23
Corretto utilizzo degli edifici da parte degli utenti
24
Minimizzare le superfici esterne pavimentate nell’intorno degli edifici
25
Massimizzare le superfici esterne a verde nell’intorno degli edifici
(prati, arbusti)
26
Alberature: solo dove necessarie per ombreggiare le superfici pavimentate
27
Controllo rigoroso della viabilità locale
minimo inquinamento acustico nell’intorno degli edifici
Ing. Davide Fappani
BUON
COMPORT.
INVERNALE
BUON
COMPORT.
ESTIVO




///
///


///



///
///


45
Grazie per l’attenzione
Ing. Davide Fappani
46