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MULTIFUNCTIONAL BUILDING MATERIALS FOR THERMAL INSULATION IN MEDITERRANEAN CLIMATES
MULTIFUNCTIONAL BUILDING MATERIALS FOR
THERMAL INSULATION IN MEDITERRANEAN
CLIMATES
Cool Materials per l’involucro edilizio
Ing. Manuela Ferrara
Napoli 22 settembre 2016
SOMMARIO
•
Isola di calore
•
Quadro normativo e programmi di incentivazione
•
Cool Materials
•
Casi studio
•
Conclusioni
Isola di calore
•
L’ambiente urbano è un sistema complesso nel quale gli scambi energetici sono governati dalla radiazione incidente e
dalle proprietà ottiche-geometriche delle superfici e di conduzione termica dei materiali.
•
L’attuale sviluppo urbano addensato è responsabile del fenomeno chiamato “isola di calore” che si caratterizza per
una consistente alterazione degli eventi climatici e notevoli influenze sul regime di inquinamento.
•
L’isola di calore è definita come la differenza di temperatura tra l’ambiente urbano e quello circostante.
•
Tale gradiente termico è dovuto all’influenza che l’urbanizzazione e la presenza umana hanno sull’interazione tra il
Boundary Layer (0-1000/2000 m ), l’Urban Canopy Layer (0-altezza degli edifici) e il Surface Layer (superficie urbana).
Quadro normativo
La Direttiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 19 maggio 2010 sulla
prestazione energetica nell’edilizia prescrive che:
a)
entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a
energia quasi zero
b)
a partire dal 31 dicembre 2018 gli edifici di nuova costruzione occupati da enti
pubblici e di proprietà di questi ultimi siano edifici a energia quasi zero,
Decreto del 26/06/2015 entrato in vigore il 01.10.2015
≪Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici.»
Allegato 1 «Criteri generali e requisiti delle prestazioni energetiche degli edifici»
2.3. Prescrizioni comuni per gli edifici di nuova costruzione, gli edifici oggetto di ristrutturazioni importanti o gli
edifici sottoposti a riqualificazione energetica.
3. Al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la
temperatura interna degli ambienti, nonché di limitare il surriscaldamento a scala urbana,
per le strutture di copertura degli edifici è obbligatoria la verifica dell’efficacia, in termini di
rapporto costi-benefici, dell’utilizzo di:
a) materiali a elevata riflettanza solare per le coperture (cool roofs), assumendo per
questi ultimi un valore di riflettanza solare non inferiore a:
•
65% nel caso di coperture piane;
•
30% nel caso di copertura a falde;
b) tecnologie di climatizzazione passiva (a titolo esemplificativo e non esaustivo:
ventilazione, coperture a verde).
Cool Materials
Parchi
Giardini pensili
Programmi di incentivazione e certificazione
Cool Roof Rating Council (CRRC)
• Organizzazione nata nel 1998 per sviluppare metodi di misura di riflessività solare ed
emissività termica dei prodotti per coperture edili
• Non prescrive valori minimi delle proprietà emissive, ma procedure per la loro
determinazione
• La procedura standard prevede l’analisi di campioni nuovi e dopo invecchiamento di 3
anni, installati in 3 località diverse di cui almeno una in area metropolitana
• Le analisi sono svolte da laboratori certificati e indipendenti
Energy Star Cool Roof Program - Environmental Protection Agency (EPA).
Possono apporre il logo materiali per coperture piane o poco inclinate con:
• riflettanza solare iniziale > 65%
• riflettanza solare dopo 3 anni > 50%
• emissività termica > 80%
European Cool Roof Council (ECRC)
Organizzazione fondata nel 2012 da enti di ricerca, industrie ed associazioni industriali
per promuovere le soluzioni tipo cool roof in Europa e coordinare le procedure di
misura e certificazione della riflettanza solare e dell’emissività termica dei prodotti per
superfici edili rivolti al contesto europeo.
Cool Materials
Le superfici dei tetti
convertono
direttamente la luce
del sole in calore
Il calore si
trasferisce
all’interno degli
edifici riscaldandole
Si consuma più
energia per il
condizionamento
dell’aria
ISOLA DI
CALORE
?
Cool Materials
Più del 90% dei tetti sono di colore scuro e la superficie della copertura sotto l’irradiazione solare raggiunge temperature
intorno gli 80°C con effetti negativi anche sulla durata dei manti. I cool materials sono materiali che hanno una elevata
capacità di riflettere la radiazione solare incidente (elevata riflettanza solare) ed emettere energia termica nell’infrarosso
(elevata emissività termica).
https://www.youtube.com/watch?v=rQ4c4nDJkGI
Verniciatura delle superfici
•
Riflettanza solare dipendente dal colore (>0.80÷0.90 per colore bianco)
•
Emissività termica influenzata dal materiale di base (0.50÷0.90)
•
Problemi di adesione al materiale di base e di durata
Membrane polimeriche
•
Riflettanza solare dipendente dal colore (>0.70 per colore bianco)
•
Emissività termica elevata (>0.90)
Granulati chiari su base asfaltata
•
Riflettanza solare dipendente dal colore (>0.60 per colore bianco)
•
Emissività termica elevata (>0 90)
Scaglie riflettenti (metalli, ossidi) disperse in matrice bituminosa
•
Riflettanza solare >0.50
•
Emissività termica >0.50
Piastrelle e pietre in lastra
•
Riflettanza solare >0.70÷0.80
•
Emissività termica elevata >0.90
Tetti metallici (alluminio, rame, ecc.) verniciati chiari
•
Riflettanza solare >0.70÷0.80
•
Emissività termica >0.60÷0.70
Cool Materials
Il calore irradiato dal sole è in parte riflesso ed in
parte assorbito:
• la copertura cede calore all’ambiente esterno
per convezione e per irraggiamento termico
nell’infrarosso.
• l’apporto energetico solare assorbito va a
riscaldare la copertura ed il locale sottostante.
Riflettanza solare: percentuale
di luce solare riflessa dal tetto
Emissività: capacità della
superficie del tetto di
irradiare il calore assorbito
Radiazione solare
Assorbanza solare: calore assorbito
dal tetto e trasferito all’interno
dell’edificio
INDICE DI RIFLESSIONE
SOLARE SRI (Solar Reflectance Index)
ovvero il parametro che esprime la
capacita di un materiale di respingere il
calore solare.
Cool Materials
Cosa succede d’inverno?
Nei contesti climatici più freddi, nei quali il miglioramento del comfort termico si ottiene soprattutto operando sulle
prestazioni termiche invernali, non sempre l'installazione di un cool material risulta conveniente, poiché gli elevati valori
di riflettanza ed emissività possono limitare gli apporti solari invernali necessari per il riscaldamento passivo
dell'edificio.
Soluzione
Una delle soluzioni attualmente in fase di sviluppo dall’istituto MIT (Massachusetts Institute of Tecnology) è un
prototipo di tegola "camaleontica“ (Thermaleon), in grado di cambiare colore al variare della temperatura esterna,
passando dal bianco al nero e viceversa se la temperatura si alza o si abbassa.
Cool Materials
La maggior parte degli edifici tipici dei centri storici italiani presentano tradizionalmente tetti a
falde inclinate ricoperti da coppi o tegole in terracotta.
Nel contesto dell’edilizia tradizionale italiana, tuttavia, una colorazione bianca o molto chiara
delle coperture a falde non è generalmente accettabile.
Cool Colors
La radiazione luminosa viene assorbita o riflessa dal
pigmento e va a formare il colore, la restante parte della
radiazione solare incidente passa attraverso il rivestimento
esterno e incide sul substrato bianco da cui viene a sua volta
riflessa indietro nell’atmosfera.
Riflettanza solare aumentata fino a 0,50.
Cool Materials
Vantaggi diretti (per l’utenza):
Vantaggi indiretti (per la collettività):
•
Minori costi di condizionamento
•
Minore rilascio di inquinanti per degrado chimico-fisico dei materiali
•
Maggiore benessere all’interno degli edifici
•
Minore riscaldamento dell’ambiente urbano
•
Minori sollecitazioni strutturali e a fatica del tetto
•
Riduzione dello smog foto-chimico
•
Minore degrado chimico-fisico dei materiali
•
Riduzione dei consumi elettrici e del rilascio di anidride carbonica
Svantaggi:
•
Impatto estetico (eventuale) in contesti di interesse storico artistico
•
Costo di installazione o conversione (ridotto e ammortizzabile)
•
Necessità di manutenzione periodica (lavaggio)
Conviene l’installazione dei cool roofs:
•
Nelle zone in cui il clima è caldo e soleggiato per buona parte dell’anno
•
•
Per edifici bassi e con elevata estensione in pianta
Se il consumo dell’impianto di climatizzazione è elevato e/o il comfort estivo insufficiente
•
Quando si hanno problemi di fatica termica delle strutture
Caso studio 1: Progetto Cool Roofs
«Edificio per laboratori a Iráklion, Creta, Grecia»
Il progetto è stato istituito dalla Commissione Europea all’interno di
Intelligent Energy for Europe e si propone di sviluppare ed
implementare un piano di azione per la promozione dei Cool Roofs
nei paesi membri dell’Unione europea. Durante il progetto sono stati
implementati 5 casi studio per dimostrare le potenzialità dei Cool
Roofs in edifici reali sul territorio europeo.
L’edificio scelto tra i 5 è un edificio bioclimatico con un ufficio
amministrativo per programmi di ricerca, all’interno del
Technological Educational Institute del campus di Creta in
prossimità di Iraklion. L’edificio costruito nel 1997, era stato
inizialmente progettato utilizzando tecnologie bioclimatiche per
minimizzarne i fabbisogni di riscaldamento e raffrescamento. Parte
del fabbisogno elettrico è coperto da un sistema ibrido consistente in
1000W prodotti da turbine eoliche e da 450W di pannelli
fotovoltaici. Il rivestimento Cool Roof utilizzato consiste in una
vernice bianca prodotta da ABOLIN chiamata Cool Barrier Roof
con riflettanza solare pari a 89% ed emissività nell’infrarosso pari a
89%. Il rivestimento è stato applicato il 15 Luglio 2009.
http://www.buildup.eu/sites/default/files/content/Cool%20Roofs_IT_0.pdf
Caso studio 1: Progetto Cool Roofs
«Edificio per laboratori a Iráklion, creta, grecia»
La diminuzione della temperatura interna prima e
dopo l’applicazione del Cool Roofs ha raggiunto
1.5°C in estate e 0.5°C in inverno. La diminuzione
dei carichi di riscaldamento e raffrescamento, dovuta
all’applicazione del Cool Roof, è di circa il 27%,
mentre l’efficienza totale è di quasi il 19.8%, anche se
c’è un aumento del consumo energetico per
riscaldamento che raggiunge il 37%. Questo perché il
consumo energetico per riscaldamento è una piccola
parte del fabbisogno totale di energia nel caso
specifico.
La diminuzione della temperatura superficiale è
mostrata nella figura in alto. L’applicazione del Cool
Roof è la soluzione più efficace se confrontata con
l’ipotesi di un aumento di isolamento termico della
struttura opaca o con l’adozione di infissi più
efficienti, nell’edificio oggetto di analisi, come mostra
la figura in basso
Caso studio 2:
centro sociale culturale “vasca navale” - ROMA
L’edificio sul quale è stato focalizzato questo lavoro, nell’ambito dell’accordo di
programma MSE-ENEA, è collocato a Roma vicino al quartiere San Paolo.
Esso è parte di un gruppo di stabili appartenenti all’Università degli Studi Roma
Tre e da qualche anno è stato dato in concessione ed utilizzato come centro
ricreativo per una comunità di anziani della zona. La scelta è caduta su questo
edificio perché presenta caratteristiche standard adatte allo studio al quale è
stato sottoposto. Infatti è un ottimo banco prova per verificare le effettive
prestazioni di un tetto ad alta riflettanza. Ciò è dovuto alla grande estensione
delle superfici orizzontali che captano la radiazione solare. L’intera struttura
presenta un basso livello di isolamento ed è caratterizzata da valori di
trasmittanza nettamente superiori a quelli stabiliti dal decreto legislativo 192/05
per la fascia climatica alla quale appartiene Roma.
http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema-elettrico/fabbisogni-consumi-energetici/15-roma-tre-report-1.pdf
Caso studio 2:
centro sociale culturale “vasca navale” - ROMA
Il materiale innovativo utilizzato per la copertura è un prodotto dei Laboratori Ecobios s.r.l. a base di latte e aceto. La
copertura originaria è una guaina bituminosa. Lo strato superficiale è costituito da ardesia.
I campioni delle due tipologie di materiali sono stati analizzati con uno spettrofotometro a doppio raggio dal quale si è
ricavato l’andamento del valore della riflettanza in funzione della lunghezza d’onda del fascio incidente tra i 300 e i 2500
nanometri. Il lavoro di posa in opera di 133 m2 è stato completato in due mattinate.
Caso studio 2:
centro sociale culturale “vasca navale” - ROMA
Attraverso i dati immagazzinati dai sensori di temperatura superficiale è stato possibile realizzare i profili di
temperatura delle superfici esterna ed interna del solaio di copertura.
Sono messi a confronto i profili relativi alla “Sala da ballo” al
di sopra della quale è stato applicata la membrana ad alta
riflettanza (in blu) e i profili relativi alla zona denominata
“Studio” caratterizzata dalla copertura in ardesia (in rosso). Si
può notare come la superficie esterna costituita dalla
membrana termo - riflettente presenti una temperatura
superficiale inferiore rispetto all’ardesia. In molti casi la
differenza di temperatura è superiore ai 20 °C.
Sono messi a confronto i profili relativi all’andamento delle
temperature interne alla “Sala da ballo” con e senza
membrana ad alta riflettanza. I dati sono stati presi in due
periodi di due giorni ciascuno, in cui fossero quasi identici gli
andamenti della radiazione solare e delle temperature esterne.
L’andamento della membrana cool roof (in blu), paragonato
alla caratteristica associata alla copertura originale (in rosso)
denota il riscontro positivo di questa tecnologia di
raffrescamento abbassando al temperatura di circa 2°C.
Caso studio 3: Progetto SmartCase
«Materiali innovativi per il Cool Roof»
Il Progetto SMART CASE “Soluzioni innovative MultifunzionAli peR l’otTimizzazione dei Consumi di energiA
primaria e della vivibilità indoor nel Sistema Edilizio” ha come obiettivo prioritario quello del contenimento dei
consumi di energia da fonte non rinnovabile agendo sul sistema edificio-impianto ed in particolare sulla quota destinata
all’uso e in parte alla dismissione degli stessi.
Il nostro impegno è stato quello di individuare e testare dei nuovi materiali per applicazioni cool roof.
Individuazione e test di materiali commerciali:
Il primo passo è stato quello di invidiare dei materiali commerciali con cui confrontarci successivamente. La scelta è
ricaduta sui due prodotti della Bituver, uno per applicazioni su tetti non calpestabili e l’altro per applicazioni su tetti
camplestabili.
California-P (Bituver) è una pittura monocomponente ad alte prestazioni, disegnata per essere impiegata
in copertura su superfici occasionalmente praticabili in calcestruzzo, fibrocemento, legno, metallo ed in
particolare, su membrane bitume polimero, in quanto rivestendole e proteggendole dai raggi UV ne allunga
la durata.
•Megaver California (Bituver) è una membrana realizzata con speciale compound a base di bitume
modificato con polimeri elastomerici di nuova generazione (BPE) e rivestita con una lamina di allumino
goffrata preverniciata con vernice PVDF bianca riflettente, pervio trattamento ad altissima tecnologia
volto a migliorarne l’adesione e la durata
Caso studio 3: Progetto SmartCase
«Materiali innovativi per il Cool Roof»
Il mercato delle vernici per carrozzeria ha attirato il nostro interesse nella scelta delle vernici per diversi
motivi. Sono vernici giornalmente esposte alla radiazione solare che a differenza delle vernici per i tetti
hanno i seguenti vantaggi:
•
•
Rapidità di essiccazione
Buona aderenza su differenti superfici
Soluzione per tetti
calpestabili
Soluzione
per tetti non
calpestabili
Sono stati preparati 3 tipologie di
campioni per i seguenti substrati:
vetro, alluminio, piastrelle, guaina
e PVC nero. I campioni sono
stati caratterizzati dal punto di
vista ottico (è stata misurata la
riflettanza spettrale e l’emissività
termica).
Strato protettivo
Vernice (8 passate)
Vernice (8 passate)
Vernice (8 passate)
Primer
Primer
Substrato
Substrato
Substrato
Riflettanza
Emissività
Vernice
Cool Roof
83.00%
90.00%
Vernice per carrozzeria
81.09%
94.01%
Vernice
Cool Roof
77.00%
90.00%
Vernice per carrozzeria
77.01%
92.38%
Caso studio 3: Progetto SmartCase
«Materiali innovativi per il Cool Roof»
Le vernici sono state depositate e sottoposte a test di invecchiamento in ambiente naturale e in ambiente simulato. In
particolare alcuni campioni sono stati esposti alle condizioni atmosferiche ambientali di S. Agnello (NA per 1 mese
(Agosto), con temperature comprese tra i 33 ed i 40°C e alcuni invece sottoposti a cicli di invecchiamento termoigrometrici in camera climatica, cercando di simulare le variazioni di temperature nell'esposizione all'esterno. Le
temperature sono state scelte cercando di riprodurre quindi le condizioni di gelo (periodo invernale), le condizioni di
caldo (periodo estivo) e le condizioni intermedie (periodo autunnale e primaverile).
Invecchiamento naturale
Invecchiamento accelerato
T(°C) Massima (www.ilmeteo.it)
T(°C) Misurata sui campioni
120
40
Temperatura [°C]
Umidità [%]
100
38
80
36
60
34
40
32
20
30
0
28
-20
26
0
5
10
15
20
25
30
60 min
60 min
condizioni
intermedie
condizioni
gelo
60 min
condizioni
intermedie
60 min
condizioni
caldo
35
Mese di Agosto
Solar Reflectance (%)
Thermal Emissivity (%)
As grown
81.09
92.38
744 ore
79.10
93.80
Lavaggio
con acqua
80.17
93.75
As grown
6 ore
60 ore
180 ore
460 ore
Solar Reflectance (%)
80.86
80.71
80.23
84.62
79.49
Thermal Emissivity (%)
92.13
92.01
93.63
94.04
91.98
Caso studio 3: Progetto SmartCase
«Materiali innovativi per il Cool Roof»
Le vernici sono state spruzzate sulla Stazione Sperimentale del Dipartimento di Ingegneria dell’Università del
Sannio.
Caso studio 3: Progetto SmartCase
«Materiali innovativi per il Cool Roof»
T esterna
Megaver
Guaina Bituminosa
Guaina Bituminosa + Cool Materials
80
70
Temperatura superficiale - copertura °C
Il software utilizzato per la simulazione
energetica è Energy Plus. Mediante
l’interfaccia grafica Design Builder è stato
costruito il modello relativo ai componenti
dell’involucro e sono stati definiti i
parametri impiantistici e di funzionamento
dell’edificio.
Soluzione per tetti non calpestabili
60
50
40
30
20
10
0
01/08/2016
02/08/2016
03/08/2016
04/08/2016
05/08/2016
Soluzione per tetti calpestabili
T esterna
California P
Alluminio
Alluminio + Cool Materials
80
70
Temperatura superficiale - copertura °C
Dall’analisi delle temperature superficiali
raggiunte durante la prima settimana di
agosto si evince che le vernici ad elevata
riflettanza non raggiungono temperature
superiori ai 40°C, ma soprattutto che le
vernici sperimentali offrono risultati
paragonabili alle vernici commerciali.
60
50
40
30
20
10
0
01/08/2016
02/08/2016
03/08/2016
04/08/2016
05/08/2016
Caso studio 3: Progetto SmartCase
«Materiali innovativi per il Cool Roof»
Confronto costo di investimento e messa in opera delle vernici
VERNICE CALIFORNIA-P BITUVER
20 kg costo 98 €
Superficie da ricoprire 36m2
1 Fusto costo 98 €
MESSA IN OPERA
costo medio orario operaio qualificato di secondo
livello: 23.37 €.
2 passate
tempo di essic. al tatto
COSTO
 120 min
 120 min
140.22 €
tempo di essic. in profondità  4 h
COSTO
186.96 €
ACQUISTO E MESSA IN OPERA
238.22 ÷ 284.96 €
VERNICE SPRAY BASE ACRILICA
400 ml costo di 4€
Superficie da ricoprire 36m2
18 bombolette costo 72 €
MESSA IN OPERA
costo medio orario operaio qualificato di
secondo livello: 23.37 €.
2 passate
tempo di essic. al tatto
COSTO
 60 min
 30 min
58.42 €
tempo di essic. in profondità  45 min
COSTO
64.27€
ACQUISTO E MESSA IN OPERA
130.42 ÷ 160.27 €
Conclusioni
•
La normativa italiana comincia a recepire l’impatto dei fabbisogni energetici per condizionamento
estivo, che dipendono principalmente dagli apporti solari, e ha iniziato a disporne la limitazione con il
decreto del 26/06/2015.
• La tecnologia Cool Roof garantisce vantaggi in condizioni di clima moderato e in termini di aumento di
comfort termico estivo e può far diminuire il consumo globale di energia per riscaldamento e
raffrescamento. In particolare
• Riduce la richiesta di condizionamento estivo
• Migliora il comfort termico
• Riduce i costi di gestione e manutenzione
• Ha un impatto positivo sull’ambiente, riducendo l’energia necessaria per il raffreddamento
degli interni e le emissioni di gas a effetto serra connesse
• Mitiga l’effetto isola di calore
•
Un cool material, la cui scelta è legata al tipo di tetto e al contesto architettonico in cui viene applicato,
deve presentare contemporaneamente:
• riflettanza solare elevata
• emissività termica nell’infrarosso elevata
• stabilità nel tempo delle proprietà
• tendenza allo sporcamento ridotta
GRAZIE
PER L’ATTENZIONE