“CONCETTI DI FISICA TECNICA APPLICATA AGLI EDIFICI”

nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 “CONCETTI DI FISICA TECNICA APPLICATA AGLI EDIFICI”
ING. MASSIMO MARANI
ARCH. ALESSANDRA BIANCHI
ARCH. MARCO BONI
ARCH. STEFANO BELCAPO
ING. SERGIO SAGGINI
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 PRINCIPI DI TRASMISSIONE DEL CALORE
Il fabbisogno di energia di un edificio durante il periodo di riscaldamento è la quantità di
energia necessaria per soddisfare il fabbisogno di calore ai fini del benessere termico.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 SI DEFINISCONO
fabbisogno di calore per il riscaldamento (Qh) [kWh/(m2a)]
E’ la quantità di calore, di cui ha bisogno una unità abitativa per mantenere la temperatura
di progetto negli ambienti riscaldati.
E’ dato dalla differenza fra le dispersioni termiche complessive e i guadagni termici
complessivi.
fabbisogno finale di energia (QE) [kWh/(m2a)]
E’ la somma dell’energia fornita al sistema di riscaldamento per soddisfare il fabbisogno di
calore e dell’energia necessaria per la produzione di acqua calda.
Tale valore considera anche il rendimento dell’impianto di riscaldamento e le dispersioni
del sistema di produzione dell’acqua calda.
fabbisogno di energia primaria (QP) [kWh/(m2a)]
E’ la somma del fabbisogno finale di energia (QE) e dell’energia necessaria per
l’estrazione, la trasformazione e la distribuzione del combustibile utilizzato (es.: gas,
gasolio).
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 SI DEFINISCONO
fabbisogno di calore per il riscaldamento (Qh) [kWh/(m2a)]
E’ la quantità di calore, di cui ha bisogno una unità abitativa per mantenere la temperatura
di progetto negli ambienti riscaldati.
E’ dato dalla differenza fra le dispersioni termiche complessive e i guadagni termici
complessivi.
fabbisogno finale di energia (QE) [kWh/(m2a)]
E’ la somma dell’energia fornita al sistema di riscaldamento per soddisfare il fabbisogno di
calore e dell’energia necessaria per la produzione di acqua calda.
Tale valore considera anche il rendimento dell’impianto di riscaldamento e le dispersioni
del sistema di produzione dell’acqua calda.
fabbisogno di energia primaria (QP) [kWh/(m2a)]
E’ la somma del fabbisogno finale di energia (QE) e dell’energia necessaria per
l’estrazione, la trasformazione e la distribuzione del combustibile utilizzato (es.: gas,
gasolio).
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 BILANCIAMENTO ENERGETICO EDIFICIO
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 BILANCIAMENTO ENERGETICO EDIFICIO
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 MECCANISMI DI TRASMISSIONE DEL CALORE
La trasmissione di calore avviene attraverso tre meccanismi:
CONDUZIONE TERMICA,
CONVEZIONE TERMICA,
IRRAGGIAMENTO TERMICO.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 La conduzione termica è lo scambio di calore che avviene all’interno di mezzi
solidi, liquidi o gassosi, quando, a causa di una differenza di temperatura, viene
trasferita energia cinetica da molecole situate in regioni a temperatura maggiore
verso altre molecole in aree adiacenti a temperatura più bassa. Il trasferimento
di energia avviene per contatto molecolare, senza spostamento delle particelle.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 La convezione termica è lo scambio di calore
che avviene quando almeno uno dei due corpi
interessati allo scambio termico è un fluido
(mezzo liquido o gassoso) in movimento.
Il calore viene trasmesso per effetto del
trasferimento di materia. Il fenomeno si verifica
quando un fluido entra in contatto con un corpo a
temperatura maggiore rispetto a quella del fluido
stesso. Con l’aumento della temperatura il fluido
si espande, la sua densità diminuisce e, per
effetto della spinta di Archimede, sale, in quanto
meno denso del fluido a temperatura più bassa
che lo circonda. Ciò genera moti convettivi in cui il
fluido caldo sale verso l’alto e quello freddo si
sposta verso il basso (convezione naturale).
Quando i movimenti delle particelle del fluido
sono imposti da cause meccaniche (pompa o
ventilatore) si parla di convezione forzata.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 L’irraggiamento termico è la trasmissione di calore tramite
la radiazione elettromagnetica emessa dalla superficie di un
corpo ad una determinata temperatura verso un corpo a
temperatura inferiore. La trasmissione del calore avviene
senza contatto tra i due corpi e senza bisogno di un mezzo
per propagarsi; quindi avviene anche nel vuoto.
Tu t t i i c o r p i e m e t t o n o e a s s o r b o n o r a d i a z i o n i
elettromagnetiche che trasportano energia: quando queste
radiazioni raggiungono un corpo, sono assorbite,
determinano l’aumento dell’energia cinetica delle molecole
e il conseguente incremento della temperatura.
La trasmissione non dipende dalla distanza, ma dalla temperatura dei due corpi e dalle
caratteristiche delle loro superfici.
La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento è proporzionale alla quarta
potenza della sua temperatura. A basse temperature l’irraggiamento contribuisce in modo
trascurabile allo scambio di calore rispetto ai meccanismi di conduzione e convezione;
all’aumentare della temperatura cresce il contributo dell’irraggiamento rispetto agli apporti
dovuti a conduzione e convezione.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 La conduttività termica (λ) è una proprietà termofisica del materiale ed indica la quantità
di calore che, per conduzione, in regime stazionario, attraversa uno strato di una sostanza
di superficie unitaria (1 m2) perpendicolarmente alla superficie, nell’unità di tempo (1 s),
quando la differenza di temperatura tra le due superfici dell’elemento è unitaria (1 K).
L’unità di misura è W/(mK).
Il regime stazionario prende in considerazione grandezze costanti nel tempo e trascura gli
effetti derivanti dall’accumulo termico della struttura.
Nel regime variabile, invece, le grandezze si modificano nel tempo e la struttura attenua o
ritarda l’onda termica in funzione delle proprie caratteristiche di accumulo termico.
Il regime stazionario rappresenta correttamente i fenomeni di trasmissione di calore durante
il periodo invernale; è necessario considerare il regime variabile nel periodo estivo, in cui si
verificano rilevanti oscillazioni di temperatura giornaliera e di radiazione solare.
La conduttività termica indica la capacità teorica di un materiale omogeneo a
lasciarsi attraversare dal calore.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 LA CAPACITÀ ISOLANTE DI UN MATERIALE È INVERSAMENTE
PROPORZIONALE ALLA SUA CONDUTTIVITÀ TERMICA.
La conduttività termica di un materiale dipende:
dalla struttura del materiale (composizione, porosità).
I materiali cristallini hanno elevati valori di
conduttività in quanto nella struttura molecolare
ordinata le oscillazioni molecolari si propagano con
minime dispersioni di energia. I materiali porosi
contengono numerose cavità riempite d’aria.
La forma, la dimensione e la distribuzione dei
pori influiscono sulla capacità termica.
Forma: i pori sferici hanno migliore conducibilità dei
pori allungati.
Dimensione: molti pori di piccole dimensioni hanno
migliore conducibilità di pochi pori di grandi
dimensioni.
Distribuzione: una distribuzione omogenea determina
una migliore conduttività rispetto ad una distribuzione
disomogenea.
Il diagramma mostra la relazione tra la
densità del materiale e la conduttività termica:
maggiore è la densità del materiale, minore è
la sua capacità isolante.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 I materiali inorganici (roccia, metalli) hanno conduttività maggiore rispetto ai materiali
organici naturali (legno) e di sintesi (polimeri).
I materiali solidi presentano valori di conduttività termica elevati in quanto le molecole sono
vicine tra loro e il calore si trasmette in modo più efficiente.
Nei materiali liquidi i legami intermolecolari sono allentati e quindi le molecole possono
muoversi liberamente e urtarsi fra di loro.
La trasmissione nei gas avviene per collisione fra molecole distanti fra loro; i gas, quindi,
presentano valori di conduttività più bassi rispetto a quella dei liquidi e questi, a loro volta,
inferiore a quella dei solidi.
L’umidità aumenta la conduttività.
Se i pori di aria sono riempiti di acqua si determina un aumento della trasmissione del calore
alla temperatura del materiale.
Nei solidi e nei liquidi, generalmente, la conduttività termica aumenta al crescere della
temperatura. Nei gas, invece, quando la temperatura aumenta la conduttività diminuisce a
causa dell’incremento dell’agitazione molecolare, con conseguente intralcio fra le molecole.
Si definiscono materiali isolanti i materiali solidi generalmente non omogenei caratterizzati
da una bassa conduttività termica; ciò è dovuto alla presenza di aria nelle porosità del
materiale stesso.
La normativa UNI EN ISO 10456 riporta i valori di conduttività termica dei principali materiali
da costruzione.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 TRASMITTANZA TERMICA “U” La trasmi)anza termica U è il parametro principale u4lizzato per calcolare le dispersioni termiche a)raverso l’involucro edilizio. Rappresenta il flusso di calore che a)raversa una superficie unitaria so)oposta a differenza di temperatura pari ad 1 °C. La sua unità di misura è il W/m2K. La norma di riferimento per il calcolo della trasmi)anza termica è la UNI EN ISO 6946:2008. CONDUTTIVITA’ TERMICA λ La conduRvità termica indicata con la le)era greca λ è una misura della qualità di una sostanza a trasme)ere il calore. E’ il rapporto, in condizioni stazionarie, tra il flusso di calore e il gradiente della temperatura che provoca il passaggio di temperatura. Dipende solo dalla natura del materiale e non dalla sua forma. Per i più comuni materiali da costruzione le norme di riferimento sono la UNI 10351:1994 e la UNI EN ISO 10456:2008. La unità di misura è il W/mK Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 TRASMITTANZA TERMICA “U” La trasmi)anza termica U è il parametro principale u4lizzato per calcolare le dispersioni termiche a)raverso l’involucro edilizio. Rappresenta il flusso di calore che a)raversa una superficie unitaria so)oposta a differenza di temperatura pari ad 1 °C. La sua unità di misura è il W/m2K. La norma di riferimento per il calcolo della trasmi)anza termica è la UNI EN ISO 6946:2008. CONDUTTIVITA’ TERMICA λ La conduRvità termica indicata con la le)era greca λ è una misura della qualità di una sostanza a trasme)ere il calore. E’ il rapporto, in condizioni stazionarie, tra il flusso di calore e il gradiente della temperatura che provoca il passaggio di temperatura. Dipende solo dalla natura del materiale e non dalla sua forma. Per i più comuni materiali da costruzione le norme di riferimento sono la UNI 10351:1994 e la UNI EN ISO 10456:2008. La unità di misura è il W/mK Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 m per un valore "U" di 0,25 W/(m²K) Spessore del materiale da costruzione in Conducibilità termica λ in W/(mK) dei comuni materiali da
costruzione:
8,00
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
1,68
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
0,40
0,52
0,64
0,16
mat. isolante mattone extra conifera
λ = 0,04
0,10
0,13
mattone poroso mattone
0,16
0,42
calcestruzzo
2,00
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 Conducibilità termica λ in W/(mK) dei materiali isolanti:
Spessore materiali isolan? in cm per un valore "U" di 0,20 W/(m²K) 30
25
20
15
10
15,0
17,5
20,0
22,5
25,0
27,5
30,0
5
0
polieur.
λ = 0,030
lana di roccia
0,035
EPS
0,040
fibra di legno vetro cellulare schiuma minerale perlite
0,045
0,050
0,055
0,060
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946
U = 1 / RT [W/(m²K)]
con RT = Rsi + R + Rse
interno
esterno
1
20,0°C
2
3
17,3°C
Rsi
Rse
- 9,1°C
- 10,0°C
Struttura dei componenti edili:
1 Intonaco in gesso: 0,015 m; λ = 0,35 W/(mK)
2 Mattone multifori : 0,365 m; λ = 0,30 W/(mK)
3 Intonaco in cemento di calce: 0,020 m;λ = 0,87 W/(mK)
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946
U = 1 / RT [W/(m²K)]
con RT = Rsi + R + Rse
R = (0,015 : 0,35) + (0,365 : 0,30) + (0,02: 0,87)
= 1,283 (m²K)/W
RT = Rsi + R + Rse
= 0,13 + 1,283 + 0,04
= 1,453 (m²K)/W
U = 1 : 1,453 (m²K)/W = 0,69 W/(m²K)
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 Calcolo approssimativo dei valori "U"
Un mattone dello spessore di 36,5 cm ha un λ molto
piccolo pari a 0,10 W/(mK), ovvero:
0,365 m : 0,10 W/(mK) = 3,65 (m²K)/W
U = 1 : 3,65 (m²K)/W = 0,27 W/(m²K)
Un materiale isolante dello spessore di 15 cm ha un
valore tipico λ di 0,04 W/(mK), ovvero.:
0,150 m : 0,04 W/(mK) = 3,75 (m²K)/W
U = 1 : 3,75 (m²K)/W = 0,27 W/(m²K)
⇒ 15 cm di materiale isolante portano allo stesso
risultato di 36,5 cm dei migliori mattoni che sono sul
mercato.
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946
interno
U = 0,26 W/(m²K)
1
2
1
3
Classica parete esterna monolitica:
1 base di calcegesso: 0,015 m; λ = 0,70 W/(mK)
2 blocco porizz: 0,365 m; λ = 0,10 W/(mK)
3 intonaco in cemento di calce; λ = 1,00 W/(mK)
U = 0,22 W/(m²K)
interno
esterno
2
3
esterno
4
Parete esterna ottimizzata con WDVS (o strato termico):
1
2
3
4
intonaco in calcegesso: 0,015 m; λ = 0,70 W/(mK)
mattone multifori: 0,240 m; λ = 0,32 W/(mK)
isolamento termico: 0,140 m; λ = 0,040 W/(mK)
intonaco in cemento di calce: 0,020 m; λ = 1,00 W/(mK)
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 Calcolo dei valori "U“ delle strutture della scuola
PARETE ESTERNA PIANO TERRA
STRATIGRAFIA
interno
U=?
1
esterno
2
3
1 intonaco esterno (intonaci-malte-finiture)
malta di calce o calce e cemento
Spessore 2 cm ;
2 murature: 96 cm; λ = 1,5 W/(mK); C= 3,750 W/(m2K);
d= 2000 Kg/m3; RT= 1/C;
Cp = 1200,00 J/Kg*K;
3 intonaco interno (intonaci-malte-finiture)
malta di calce o calce e cemento
Spessore 2 cm ;
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015 nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020 PARETE ESTERNA PIANO PRIMO
STRATIGRAFIA
interno
U=?
1
esterno
2
3
1 intonaco esterno (intonaci-malte-finiture)
malta di calce o calce e cemento
Spessore 2 cm ;
2 murature: 71 cm; λ = 1,5 W/(mK); C= 3,750 W/(m2K);
d= 2000 Kg/m3; RT= 1/C;
Cp = 1200,00 J/Kg*K;
3 intonaco interno (intonaci-malte-finiture)
malta di calce o calce e cemento
Spessore 2 cm ;
Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -­‐ VT a.a.2014/2015