Indice Capitolo 1 - LA PROPAGAZIONE DEL CALORE 1.1. Ipotesi stazionaria 1.2. Ipotesi transitoria 1.3. Comportamento termoigrometrico delle strutture 1.4. Scelta della stratigrafia e correzione del comportamento igrometrico Introduzione L’ISOLAMENTO TERMICO Nell’edilizia moderna assumono sempre maggior importanza l’isolamento termico ed acustico degli edifici, mirati sia al miglioramento delle condizioni di comfort abitativo sia alla riduzione dei consumi energetici anche nell’ottica di un controllo dell’inquinamento atmosferico (effetto serra, buco dell’ozono, ecc.). Per quest’ultimo aspetto è facilmente intuibile che aumentare l’isolamento termico di un involucro edilizio comporta una riduzione dei consumi di energia primaria (combustibili, energia elettrica, ecc.) utilizzata dagli impianti di climatizzazione per il mantenimento delle condizioni di comfort termoigrometrico all’interno degli ambienti. Meno evidente appare il fatto che una riduzione di consumo di energia primaria si ottiene anche controllando la modalità di accensione di un impianto o controllando il flusso termico scambiato con l’esterno nell’arco dell’intera giornata. A questo tipo di controllo si arriva attraverso interventi che permettono di aumentare l’inerzia termica dell’edificio; a questa è infatti associata sia la risposta dell’edificio alle variazioni di temperatura esterna, che sono tutt’altro che costanti, sia la riduzione del numero di accensioni e spegnimenti dell’impianto di climatizzazione. A titolo di esempio, una corretta gestione di un impianto di riscaldamento, riducendo il numero di accensioni/spegnimenti del bruciatore della caldaia, porta ad un risparmio di gas metano (e quindi di inquinanti ad esso associati) dell’ordine del 20 %. Anche questa dispensa, come quella intitolata “Appunti di acustica”, non vuole essere un testo didattico, ma semplicemente raccogliere un insieme di informazioni finalizzate a stimolare l'approfondimento, da parte dei progettisti, di una materia in continua evoluzione con la quale sempre più dovranno confrontarsi, non limitandosi all’uso di un software che ci aiuta nella progettazione ma non ci chiarisce alcune importanti problematiche. Cerchiamo perciò di fare chiarezza andando ad analizzare la problematica dello scambio termico di un involucro edilizio e valutare alcuni aspetti pratici dell’isolamento, il tutto avendo come obbiettivo principale il mantenimento delle condizioni ottimali del benessere abitativo. Maxitalia srl IL BENESSERE TERMICO - 3 Capitolo 1 - LA PROPAGAZIONE DEL CALORE Supponendo di avere due ambienti a temperatura diversa, fra questi si avrà uno scambio di calore (flusso termico) dall’ambiente a temperatura maggiore verso quello a temperatura minore. Questo flusso termico sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la differenza di temperatura tra i due ambienti e quanto minore sarà la resistenza offerta al passaggio del calore dall’involucro che li separa. Quanto sopra è schematizzato nella seguente figura. Il passaggio del calore tra un ambiente e l’altro avverrà principalmente per conduzione attraverso gli strati liminari (l’aria direttamente a contatto con le due superfici della struttura). Il flusso di calore che passa tra i due ambienti è caratterizzato, per una struttura omogenea, dall’equazione differenziale della conduzione termica; di seguito ne viene riportata una semplificazione, considerando cioè il flusso termico con propagazione monodimensionale, cioè solo lungo lo spessore della struttura: ∂ 2 T ( x, t ) ∂T ( x, t ) λ ρ = c ∂t ∂x 2 dove: λ W/mK ρ c kg/m3 kJ/kgK T t K s Conduttività termica del materiale (flusso di calore che attraversa un materiale di 1 m le cui facce siano ad una differenza di temperatura di 1 K) Densità del materiale Capacità termica del materiale (calore necessario ad 1 kg di materiale per innalzare la sua temperatura di 1 K) Temperatura Tempo IL BENESSERE TERMICO - 4 Analizzando l’equazione sopra riportata è possibile evidenziare che il flusso di calore che attraversa una struttura dipende, oltre che dalla resistenza offerta dal materiale (associabile alla conduttività termica ed allo spessore), anche dalla sua densità e dalla sua capacità termica (associabile all’inerzia termica). L La capacità termica è rappresentata dalla quantità di calore (energia) che occorre fornire ad 1 kg di materiale per innalzare la sua temperatura di 1 °C. Affrontare una problematica di scambio termico significa risolvere l’equazione differenziale di secondo grado sopra riportata. Al fine di semplificare le valutazioni quotidiane di queste problematiche, la vigente normativa in materia di isolamento termico (L.10/91 e Norme attuative) permette di affrontare la problematica con una semplificazione denominata “Ipotesi stazionaria”. 1.1 Ipotesi stazionaria L’ipotesi stazionaria dello scambio termico consiste essenzialmente nel considerare costante la temperatura interna ed esterna di un edificio, sia nella stagione estiva che in quella invernale. Difatti, quando redigiamo un progetto di isolamento termico, poniamo come costante la temperatura al suo interno (per esempio 20 °C all’interno delle abitazioni) e costante la temperatura esterna, in funzione delle località climatiche (per esempio Firenze Te=0°C). Con questa semplificazione, l’equazione di scambio termico diventa (altre equazioni considerano la disposizione e la tipologia della struttura, per esempio se questa è appoggiata sul suolo, ecc.): Q = U × S × (Ti − Te ) U= 1 αi 1 si +∑ λi + 1 αe dove: Q W S U Ti Te s λ αi αe m2 W/m2°K °C °C M W/m°K W/m2°K W/m2°K Flusso di calore trasmesso per conduzione attraverso una parete Superficie della parete Trasmittanza della parete Temperatura dell’ambiente interno Temperatura dell’ambiente esterno Spessore dei singoli strati costituenti la parete Conduttività dei singoli strati costituenti la parete Conduttanza dello strato liminare interno Conduttanza dello strato liminare esterno IL BENESSERE TERMICO - 5 Analizzando l’equazione sopra riportata ne deriva che il flusso di calore dipende essenzialmente dalla trasmittanza della parete ed in particolare dalla conduttività e dallo spessore dei singoli componenti. Per questo un aumento della resistenza termica offerta dalla struttura si ottiene semplicemente inserendo nella stratigrafia un materiale isolante con un basso valore di conduttività termica, eventualmente aumentando il suo spessore in funzione delle resistenza desiderata. La formula sopra riportata non prende in considerazione la posizione dell’isolante che nelle normali applicazioni edili può essere: - interno; - esterno (cappotto); - in intercapedine; - distribuito (blocchi termici). Teoricamente le quattro tipologie di isolamento conducono tutte, a parità di spessore e conduttività, alla stessa resistenza termica. Se però abbandoniamo l’ipotesi stazionaria e consideriamo cosa accade al flusso termico al variare della temperatura dei due ambienti, ci accorgiamo che diventa importante sia la posizione dell’isolante sia la massa dell’involucro edilizio; anche se questo concetto non è intuitivo, basti riflettere sul motivo per cui in estate non occorre climatizzare una cantina interrata od una chiesa del ‘400….. 1.2 Ipotesi transitoria Abbiamo introdotto l’argomento dello scambio termico con l’affermazione che il flusso di calore passa dall’ambiente a temperatura maggiore verso quello a temperatura minore, fino a che i due ambienti non risultano avere un equilibrio termico (stessa temperatura); se uno dei due ambienti ha dimensioni molto maggiori dell’altro (per esempio l’ambiente esterno confrontato con un’abitazione), la temperatura di equilibrio tenderà ad essere all’incirca quella dell’ambiente più grande; e se la temperatura di quest’ultimo varierà nell’arco della giornata, tenderà a variare anche la temperatura all’interno dell’ambiente più piccolo. L Tutto ciò comporta innanzi tutto che spesso gli impianti di climatizzazione sono sovradimensionati, poiché vengono progettati assumendo come temperatura esterna quella minima (inverno) o quella massima (estate). Inoltre, l’oscillazione della temperatura interna si ripercuote sul funzionamento degli impianti stessi che saranno assoggettati a numerevoli fasi di accensione e spegnimento, aumentandone così i consumi. Perciò, oltre alla resistenza termica di una struttura, diventerà importante anche la sua capacità di accumulare calore e rilasciarlo lentamente, funzionando come un vero e proprio volano termico. IL BENESSERE TERMICO - 6 Analizzando l’equazione di conduzione monodimensionale del calore, è possibile definire un nuovo parametro denominato “diffusività termica” e dato dalla seguente espressione: λ ρc a= La sua unità di misura è espressa in m2/s e rappresenta la velocità con cui un materiale scambia il calore con l’ambiente circostante. L Questo parametro ha anche un’influenza soggettiva sul comfort abitativo, in quanto materiali che cedono o assorbono calore troppo velocemente vengono percepiti al tatto come materiali più “freddi”; per questo è luogo comune dire che il legno è un materiale più caldo del cemento. Difatti il legno ha una diffusività molto minore di quella dell’intonaco di una parete o di un pilastro in cemento armato. Rapportando la superficie di un involucro edilizio alla diffusività termica dei vari componenti, si ottiene un nuovo parametro denominato costante di tempo: τ= S a Questo valore espresso in ore rappresenta il tempo che l’involucro edilizio impiega a rispondere ad una variazione di temperatura degli ambienti limitrofi e quindi rappresenta la sua capacità di comportarsi come un volano termico. Nella figura seguente è riportato un confronto tra i vari materiali attualmente impiegati in edilizia. Polisitrene Lana di vetro Lana di roccia Schiuma PU Calcestruzzo Mattone poroso Fibra Legno 0 0,2 0,4 0,6 Conduttività [W/mK] 0,8 1 1,2 Diffusività [mq/s] 1,4 IL BENESSERE TERMICO - 7 Sul grafico è riportato sia il valore di conduttività termica che il valore di diffusività termica, cioè la proprietà di un materiale di trasmettere il calore e con quale velocità avviene il fenomeno. Come si può notare, i normali materiali da costruzione (CLS, mattoni, ecc.) hanno un pessimo valore di conduttività ma si comportano come buoni accumulatori. Invece i materiali isolanti hanno un ottimo valore di conduttività termica ma una pessima diffusività termica, quindi scambiano velocemente il calore. L Tra questi è possibile evidenziare la fibra di legno come isolante termico ideale, in quanto presenta un buon valore di conduttività termica ed un ottimo valore di diffusività termica dovuto alla elevata densità (160 ÷ 250 kg/m3) ed alla elevata capacità termica (≈ 2,2 kJ/kgK). Questo rende il materiale un ottimo isolante per tutte quelle strutture che presentano un basso peso, come i tetti in legno. Infine, affrontare un problema di scambio termico in regime transitorio significa analizzare la velocità con cui un involucro edilizio scambia il calore con gli ambienti limitrofi ed analizzare il comportamento del flusso termico al variare delle ore della giornata (onda termica). Per questo sono stati introdotti due nuovi parametri definiti Smorzamento e Sfasamento: - Smorzamento: rapporto tra l’escursione, rispetto alla temperatura media, fra la temperatura esterna e quella interna. In altre parole, ci dice quanto la parete o il tetto riescono a ridurre il flusso termico, ed è espresso dalla seguente formula: φ= ∆Te ∆Ti - Sfasamento: differenza di tempo che intercorre tra l’ora di massima temperatura esterna e l’ora di massima temperatura interna nel periodo estivo (o differenza di tempo che intercorre tra l’ora di minima temperatura esterna e l’ora di minima temperatura interna nel periodo invernale). In altre parole questo parametro rappresenta di quanto tempo l’involucro edilizio riesce a ritardare l’ingresso del calore all’interno degli ambienti, ed è espressa dalla seguente formula: Periodo estivo: ϕ = h(Te,max ) − h(Ti ,max ) Periodo invernale: ϕ = h(Te, min ) − h(Ti , min ) I termini delle due espressioni assumono il seguente significato: IL BENESSERE TERMICO - 8 φ ϕ ∆Te [1] h °C ∆Ti °C h(Te,max) h(Ti,max) h(Te,min) h(Ti,min) h h h h Smorzamento dell’onda termica Sfasamento dell’onda termica Differenza tra la temperatura esterna e la temperatura media interna Differenza tra la temperatura interna e la temperatura media interna Ora solare di massima temperatura all’esterno Ora solare di massima temperatura all’interno Ora solare di minima temperatura all’esterno Ora solare di minima temperatura all’interno L In estate, in una roulotte (involucro con bassa inerzia termica), la temperatura massima interna si avrà intorno alle ore 14, all’incirca alla stessa ora in cui si ha la massima temperatura esterna (ore 13); nella stessa stagione, in una chiesa del ‘400 (involucro con alta inerzia termica) la temperatura massima interna si avrà intorno alle 20. Nel primo caso si avrà uno sfasamento di 1 ora mentre nel secondo caso lo sfasamento sarà di 7 ore. Quanto sopra è riassunto nella figura seguente dove sono riportati, per un tetto in legno ben isolato posto nella località climatica di Firenze nel periodo estivo, i seguenti dati: - temperatura superficiale media dell’intradosso del solaio (T. media); - andamento orario della temperatura superficiale dell’estradosso del manto di copertura (T. superficie esterna); - andamento orario della temperatura superficiale dell’intradosso del solaio (T. superficie interna); - andamento orario della temperatura dell’aria esterna (T. aria esterna) . IL BENESSERE TERMICO - 9 La differenza tra la temperatura dell’aria esterna e quella della superficie dell’estradosso del manto di copertura è dovuta essenzialmente all’apporto energetico dovuto dall’irradianza del sole su una superficie orizzontale, cioè al riscaldamento che questo provoca su un materiale per irraggiamento. Per esempio alle ore 13 di un giorno di Luglio con temperatura dell’aria esterna di 32 °C, una lamiera di colore nero posata orizzontalmente può raggiungere temperature di circa 90 °C. L Questo fenomeno viene sfruttato dai collettori solari, cioè particolari impianti in grado di assorbire il calore associato all’irradianza e trasferirlo ad una certa quantità di acqua riscaldandola prima che venga utilizzata per i servizi igienici. Analizzando il grafico sopra riportato, è evidente che nel periodo notturno l’impianto non produrrà calore in quanto l’irradianza solare è nulla, mentre la massima efficienza si avrà alle ore 13. Questo comporta che per sfruttare al meglio l’impianto occorrerà installare un serbatoio di acqua, ovvero un volano termico, in grado di assorbire il calore catturato nelle ore di massima efficienza e ridistribuirlo nelle ore di fabbisogno (anche nel periodo notturno, quando l’efficienza dei captatori è nulla). L Controllare il flusso termico che passa all’interno di un edificio nel periodo estivo (o passa all’esterno durante il periodo invernale) sia nel suo smorzamento che nel suo sfasamento, oltre che a migliorare le condizioni di comfort abitativo, permette di dimensionare gli impianti con taglia più piccola rispetto al dimensionamento effettuato considerando la temperatura esterna fissata ad un certo valore. Ovviamente questo corrisponderà ad un risparmio di energia primaria e ad una riduzione di inquinanti. Altro fattore da mettere in risalto nell’affrontare un problema di scambio termico in ipotesi transitoria anziché in ipotesi stazionaria, è quello della posizione dell’isolante nella struttura. Infatti, tralasciando l’isolamento distribuito in una struttura (termolaterizi), mentre per l’ipotesi stazionaria nel calcolo della resistenza termica non ha importanza la posizione dell’isolante, nell’ipotesi transitoria questa è fondamentale. Se consideriamo una struttura di un certo peso (per esempio una parete in mattoni), questa avrà una certa massa che potrà comportarsi come volano termico, quindi in grado di assorbire il calore e rilasciarlo con un certo ritardo; quindi la struttura diventerà per l’ambiente una sorta di fonte di calore che il progettista potrà utilizzare per regolare e stabilizzare la temperatura al suo interno. Ovviamente la struttura dovrà scambiare il calore direttamente con l’ambiente da controllare e dovrà essere ridotta al minimo l’energia che questa scambia con l’ambiente esterno. L Infatti, se l’isolante viene posizionato all’interno dell’ambiente, il volano termico tenderà a scambiare il calore lungo il percorso che offre minore resistenza termica, cioè verso l’esterno (poiché non c’è isolamento); in altre parole la struttura fa da volano termico non per l’ambiente interno ma per quello esterno. Vale il discorso inverso se l’isolante viene applicato all’esterno (cappotto): il percorso a minor resistenza termica sarà quello dalla struttura verso l’ambiente interno, quindi questa si comporterà da volano verso gli ambienti che vogliamo climatizzare. IL BENESSERE TERMICO - 10 Per ultimo, nel valutare le condizioni di benessere termico e di efficienza di un intervento di isolamento, non occorrerà tenere conto delle sole condizioni termiche ma anche di quelle igrometriche. 1.3 Comportamento termoigrometrico delle strutture Come sappiamo, l’aria non è costituita da un solo componente, ma è una miscela di vari elementi tra cui azoto, ossigeno, anidride carbonica, vapore acqueo, ecc. L Ovviamente, essendo la miscela d’aria un gas, lo stato fisico dei suoi componenti dipende, oltre che dalla temperatura, anche dalla pressione che interviene sugli stessi; è ben noto che l’acqua effettua il suoi passaggi di stato (solido – liquido – gassoso) a determinate temperature, che però sono dipendenti anche dalla pressione a cui questa è soggetta. Per esempio, una pentola d’acqua bolle prima in montagna rispetto al mare, in quanto la pressione atmosferica diminuisce con l’aumentare della quota. La quantità di vapore d’acqua all’interno della miscela d’aria è rappresentata dalla Umidità Relativa U.R. ed espressa in percentuale della pressione reale del vapore e di quella di saturazione, che hanno il seguente significato: - Pressione di saturazione del vapore: la pressione in cui il vapore cambia di stato passando da vapore a liquido; questa dipende dalla temperatura. - Pressione reale del vapore: la pressione a cui si trova il vapore all’interno della miscela; anche questa dipende dalla temperatura. Anche in questo caso, tra due ambienti distinti soggetti a condizioni termoigrometriche (temperatura ed umidità) diverse, si ha uno scambio, oltre che di calore, anche di massa (miscela d’aria) attraverso la struttura che li separa. La proprietà che un materiale ha di lasciarsi passare dall’aria e dal vapore viene definita come permeabilità: - permeabilità all’aria; proprietà di un materiale di lasciare passare l’aria; - permeabilità al vapore; proprietà di un materiale di lasciare passare il vapore d’acqua. Se rapportiamo la permeabilità al vapore di un materiale a quella dell’aria, otteniamo un parametro denominato Resistenza alla diffusione del vapore (µ) di un materiale; questo rappresenta intuitivamente quanto maggiore è la resistenza offerta da un materiale alla diffusione del vapore rispetto all’aria. Questo parametro, adimensionale, assumerà normalmente valori maggiori di 1. Ovviamente, analogamente alla resistenza termica, anche la resistenza al passaggio del vapore dipenderà anche dallo spessore del materiale; per questo viene calcolato il prodotto tra la Resistenza alla diffusione del vapore e lo spessore del materiale per ottenere un parametro che è lo spessore dello strato equivalente d’aria, cioè la proprietà che ha un materiale di opporsi al passaggio del vapore viene assimilata ad un certo strato d’aria. Maggiore sarà questo strato, maggiore sarà la resistenza offerta: Sd = µ × s IL BENESSERE TERMICO - 11 dove: Sd µ s m m Strato equivalente d’aria Resistenza alla diffusione del vapore Spessore del materiale Quindi una struttura soggetta ad uno scambio termico sarà soggetta anche ad uno scambio di massa, come rappresentato nel seguente grafico. IL BENESSERE TERMICO - 12 Come si vede dalla stratigrafia, nel caso del periodo invernale, alla variazione di temperatura all’interno dei vari strati di una parete corrisponde una riduzione sia della pressione di saturazione che di quella reale del vapore d’acqua. Nel caso in cui la pressione reale risulti superiore a quella di saturazione, si avrà la formazione di condensa definita come interstiziale (poiché si forma all’interno dei vari componenti della struttura). Nel caso in cui ci troviamo di fronte a pareti con temperatura superficiale troppo bassa all’interno dell’ambiente, l’umidità contenuta nell’aria troverà una temperatura molto minore rispetto a quella dell’aria ambiente; in questo punto la pressione di saturazione sarà molto bassa rispetto a quella reale dell’ambiente interno, e quindi si avrà la formazione di condensa definita come superficiale (le muffe che spesso troviamo in corrispondenza dei ponti termici o negli ambienti con molta umidità quali i bagni o le cucine). L La formazione di condensa superficiale spesso si manifesta anche dietro ai mobili di arredamento; in questo caso il mobile impedisce una corretta circolazione dell’aria mantenendo fredda la parete da questo nascosta; l’aria che va a contatto con questa superficie tende a condensarsi formando quelle macchie nere di muffa che spesso troviamo dietro ai mobili di una cucina o ad un armadio di una camera da letto. Per controllare la condensa superficiale dobbiamo fare in modo che le superfici interne dell’involucro edilizio non presentino temperature troppo basse e che ci sia una corretta circolazione d’aria. Per esempio, possiamo impiegare strutture con bassa diffusività termica, al fine di diminuirne la temperatura esterna (nelle baite di montagna rivestite in legno è infatti difficile la formazione di macchie di muffa). Invece per controllare la condensa interstiziale occorrerà eseguire una attenta verifica termoigrometrica prestando attenzione alle caratteristiche dei singoli materiali. 1.4 Scelta della stratigrafia e correzione del comportamento igrometri- co Innanzitutto occorre precisare che un corretto passaggio del vapore da un ambiente interno ad un ambiente esterno avviene solo se lo strato equivalente d’aria associato ai singoli componenti è decrescente dall’interno verso l’esterno. Invece, per correggere il comportamento igrometrico di una struttura si dovrà fare ricorso ad opportuni materiali, quali: - freni vapore; - barriere vapore; - manti traspiranti. I freni e le barriere vapore sono materiali in grado di ridurre in modo più o meno drastico la pressione reale del vapore che li attraversa. Intuitivamente il freno vapore rallenta il passaggio del vapore mentre la barriera lo blocca. E’ buona regola posizionare sia i freni che le barriere sul lato caldo della struttura, al fine di evitare una sicura formazione di condensa. IL BENESSERE TERMICO - 13 I manti traspiranti, invece, sono materiali che hanno la proprietà di lasciare passare facilmente il vapore e di impedire invece la penetrazione di acqua eventualmente depositata sul suo estradosso. Questo manto dovrà essere sempre messo come ultimo strato di una struttura, in quanto il suo impiego principale è quello di impedire le infiltrazioni di acqua. Ovviamente la proprietà di un materiale di comportarsi come un freno, una barriera od un manto, non dipende esclusivamente dalla sua resistenza alla diffusione del vapore, ma anche dallo strato equivalente d’aria ad esso associato. Di seguito è riportata una tabella riassuntiva dove sono riportati i dati di resistenza alla diffusione del vapore di vari materiali ed il relativo strato d’aria equivalente valutato per spessori prestabiliti. MATERIALE Aria Lana di roccia/vetro Fibra di legno Sughero Polistirene espanso Polistirene estruso Film PVC Copertura di bitume PE bassa densità LDPE Manti traspiranti ECOFIL ® 05 ECOVAP ® SPESS. mm 20 20 20 20 20 <0,1 3 0.3 0,4 0,5 0,3 Valore µ 1 1,1 5 10 20-100 80-300 20.000-50.000 40.000-80.000 450.000 50 100 > 60.000 Sd(mt) 0,022 0,1 0,2 0,4/2 1,6/6 2/4 120/240 135 0,02 0,05 19 Come si può vedere dalla tabella, un materiale con una moderata resistenza alla diffusione al vapore come il bitume può opporsi al passaggio del vapore maggiormente rispetto ad un materiale con un alta resistenza alla diffusione tipo un film in PVC; questo essenzialmente è dovuto alla differenza sostanziale degli spessori (circa 30 volte) che comporta una sostanziale differenza dello strato equivalente d’aria associato.