Componenti per l’involucro opaco negli edifici Prof. Ing. Piercarlo Romagnoni Università IUAV di Venezia Dorsoduro, 2206 – 30123 Venezia [email protected] Il calore è definito come quella forma di energia che è trasferita attraverso i confini di un sistema ad una data temperatura ad un altro sistema (o verso l'esterno) ad una temperatura più bassa in virtù della sola differenza di temperatura tra i due sistemi qest < qint qint Definizioni… Regime stazionario le caratteristiche termofisiche non dipendono dal tempo le temperature interna ed esterna non dipendono dal tempo trasmittanza termica in regime stazionario U condizioni di progetto invernale Regime variabile le caratteristiche termofisiche dipendono dal tempo le temperature interna ed esterna dipendono dal tempo capacità termica sfasamento temporale smorzamento trasmittanza termica dinamica YIE La trasmittanza termica U è la proprietà valorizza trasmissione termica dei materiali componenti la parete. 1 U Rint N RR i 1 i est Rint = resistenza lato interno [m2 K/ W]; Ri = resistenza i-esimo strato [m2 K/ W]; Rest = resistenza lato esterno [m2 K/ W] la DPR 26/6/2015 Appendice A Edificio di riferimento Parametri relativi al fabbricato I valori di trasmittanza delle precedenti tabelle si considerano comprensive dell’effetto dei ponti termici. Edificio di riferimento Parametri relativi al fabbricato Per le strutture opache verso l’esterno si considera il coefficiente di assorbimento solare dell’edificio reale. Edificio di riferimento Parametri relativi al fabbricato Come si qualifica un edificio a basso consumo energetico? Passive houses: richiesta energetica per il riscaldamento ≤ 15 kWh/(m2 anno) riscaldamento, acqua calda sanitaria ed usi elettrici ≤ 120 kWh/(m2 anno) L’isolamento si traduce con una bassa trasmittanza U dei componenti dell’involucro Parete esterna Copertura Pavimento Porte e finestre Vetro U ≤ 0,15 W/(m2K) U ≤ 0,15 W/(m2K) U ≤ 0,15 W/(m2K) U ≤ 0,8 W/(m2K) U ≤ 0,8 W/(m2K) Coeff. lineico ponte termico lineare Tenuta all’aria (EN 13829) y ≤ 0,01W/(m K) n50 ≤ 0,6 h-1 E’ bene ricordare che sin dal D.Lgs. 192/05 si richiede che la trasmittanza termica limite Ulimite è riferita alla struttura a ponte termico corretto. Nell’Allegato A del D.Lgs. 311/2006 si definisce “ponte termico corretto” quando la trasmittanza termica della parete fittizia (il tratto di parete esterna in corrispondenza del ponte termico) non supera di più del 15% la trasmittanza termica della parete corrente Um Acorr Ucorr Lpt y Acorr Ulimite La parete opaca spessori s [m]; conducibilità termiche l [W/(m K)]; conduttanze C [W/(m2 K)]; densità r [kg/m3]; calore specifico c [J/(kg K)] La parete ha superficie A [m2] la resistenza totale di scambio Rtot è la somma delle resistenze termiche definite di seguito (UNI EN ISO 6946): Rtot = Rt + R't + Rsi + Rse Rt = resistenza termica di strato omogeneo; R’t = resistenza termica di strato non omogeneo; Rsi = resistenza superficiale interna; Rse = resistenza superficiale esterna. Rt = resistenza termica di uno strato omogeneo di spessore s [m] e conducibilità termica l [W/(m K)]: s m2 K Rt [ ] l W l è ricavata da valori tabulati o secondo UNI EN ISO 10456 R’t = resistenza termica di uno strato non omogeneo di spessore s [m] e conduttanza termica C [W/(m2 K)]: 1 m2 K R' t [ ] C W I materiali Isolanti: materiali a struttura fibrosa o cellulare e di bassa densità La bontà dell’isolante è misurata dalla conducibilità l < 0.05 W/(m K) Può essere inserito nelle strutture Materiale l [W/(m K)] r [kg/m3] Lana di roccia 0,035 – 0,05 20 – 140 Lana di vetro 0,035 – 0,05 20 – 140 Perlite espansa 0,05 -0,055 90 - 100 Vetro cellulare 0,045 – 0,06 125 - 150 Argilla espansa 0,130 – 0,25 400 - 1800 Fibra di cellulosa 0,045 35 – 60 Sughero espanso 0,04 – 0,05 120 Fibra di legno (pannello) 0,050 -0,06 130 - 270 Fibra di legno mineralizzato 0,09 360 - 570 Paglia e giunco 0,06 – 0,130 - Lana di pecora 0,04 - EPS pol. Espanso 0,035 – 0,04 15 – 30 XPS pol. estruso 0,030 - 0,04 20 - 50 PUR poliuretano 0,020 – 0,035 30 - 35 UNI EN 10456 Materiali e prodotti per edilizia Proprietà igrometriche Valori tabulati di progetto e procedimenti per la determinazione dei valori termici dichiarati e di progetto Intercapedini d’aria Le superfici devono essere parallele e avere emissività maggiore di 0,8; l’intercapedine deve avere spessore minore di 0,1 volte ciascuna delle altre 2 dimensioni, e non più grande di 0,3 m; non c’è scambio d’aria con l’ambiente interno Valori di resistenza termica di intercapedini non ventilate [m2K/W] spessore Direzione del flusso termico [mm] Ascendente Orizzontale Discendente 5 0,11 0,11 0,11 7 0,13 0,13 0,13 10 0,15 0,15 0,15 15 0,16 0,17 0,17 25 0,16 0,18 0,19 50 0,16 0,18 0,21 100 0,16 0,18 0,22 300 0,16 0,18 0,23 Per la valutazione dello scambio termico in regime stazionario (indipendenza dal tempo) è possibile scrivere: qtrasmesso (qi q e ) U (qi q e ) R totale ovvero trattare i singoli materiali come resistenze termiche Conduttive Rt = s/l Convettive Rt = 1/h Radiante Rt 1 1 1 1 2 1 F12 2 (T1 T2 ) (T12 T22 ) U = trasmittanza termica della struttura =1/ Rtot Nel caso della radiazione… A1 = A 2 = A 1 = 2 = F12 = 1 q1 2 A (T14 T24 ) 2 è il caso di due superfici affacciate Se A1 <<A2 F12 ≈ 1 q1 2 A (T14 T24 ) è il caso di una superficie che emette in un ambiente molto grande Il calore scambiato per radiazione è tanto più piccolo (a parità dei valori delle temperature superficiali) quanto minore è il valore del coefficiente di emissione superficiale (o dell’assorbimento) Spessore totale 0,007 m Pannelli sottovuoto formati da polvere di silicio pressata avvolti in un involucro di poliestere e polietilene. Isolante sottovuoto l = 0,005 W/(m K) L’utilizzo di ricoprimenti riflettenti e/o basso-emissivi Ricoprimento riflettente isolamento Barriera low-e Resistenze superficiali Rsi, Rse [(m2 K)/W] Rsi Rse Direzione del flusso termico Ascendente Orizzontale Discendente 0,10 0,13 0,17 0,04 0,04 0,04 Per pareti verticali, andranno utilizzate le resistenze riportate nella colonna centrale. Un flusso termico ascendente è considerato tale su soffitti disperdenti; un flusso termico è discendente sotto pavimenti disperdenti. E' considerato orizzontale anche un flusso termico inclinato fino a 30° sul piano orizzontale. Ponte termico Il ponte termico è una configurazione strutturale o geometrica che produce una deviazione del flusso termico dalla condizione di flusso monodirezionale tra superficie interna ed esterna di una parete. a) Ponte termico di forma b) Ponte termico di struttura Il ponte termico Radiatori in nicchia all’interno Cordolo interpiano Nel caso di una parete con elementi disposti in parallelo di materiale a conducibilità termica diversa, si ha una concentrazione delle linee del flusso termico nel materiale a conducibilità termica maggiore l1 q1 l2 > l1 l1 q1 T2 T2 T1 T1 l2 l2 q2 q2 T2 T2 q1 q1 T1 T2 T1 T2 Schema con flusso monodirezionale Schema con flusso bidimensionale Resistenze in parallelo Distorsione linee di flusso Ponte termico Effetti - disomogeneità di temperatura su superficie interna - aumento delle dispersioni termiche Caratterizzazione Coefficiente di eterogeneità di temperatura superficiale interna rm rm Ti T p,n Ti T p,o Ti = temperatura aria interna; Tp,n = temperatura sulla sup. interna nella zona del ponte termico; Tp,o = temperatura sulla sup. interna nella zona indisturbata Il calcolo dei flussi termici dovuti ai ponti termici può essere effettuato con precisione utilizzando metodi numerici dettagliati in accordo con UNI EN ISO 10211 flusso termico bi o tridimensionale UNI EN ISO 14683 consente di calcolare i flussi termici attraverso metodi semplificati UNI EN ISO 14683 consente di calcolare il valore della trasmittanza termica lineica Yk Generalmente l’influenza dei ponti termici puntuali, esplicitata dal termine ci, può essere trascurata. La trasmittanza termica lineica Y può essere determinata con al relazione Y = L2D – S Ui li L2D è il coefficiente di accoppiamento termico lineico ottenuto con un calcolo bidimensionale del componente che separa i due ambienti considerati; Ui è la trasmittanza termica dell’i-esimo componente monodimensionale che separa i due ambienti considerati; li è la lunghezza del modello geometrico bidimensionale cui si applica il valore Ui. E’ necessario precisare il sistema di dimensioni utilizzate per il calcolo della trasmittanza termica lineica Y. Il Prospetto 2 della UNI EN ISO 14683 riporta i valori di progetto per Y basati su tre sistemi di valutazioni delle dimensioni dell’edificio: dimensioni interne, misurate tra le superfici interne finite di ogni ambiente (escluso lo spessore delle partizioni interne); dimensioni interne totali, misurate tra le superfici interne finite degli elementi dell’edificio (incluso lo spessore delle partizioni interne); dimensioni esterne, misurate tra le superfici esterne finite degli elementi esterni dell’edificio. Esempi da UNI EN 14683 Calcolo con UNI EN ISO 10211 yL = 0,0044 W/(m K) yL = 0,0645 W/(m K) Energia richiesta per riscaldamento e raffrescamento Procedura di calcolo Energia scambiata per trasmissione QT k [ H T , k ( q i q e , k )] t HT,k = coefficiente di trasmissione con l’ambiente a temperatura qe; qi = temperatura della zona termica o dell’edificio; t = periodo HT è calcolato in accordo con UNI EN 13789- 2008 Per computare il coefficiente di perdita di calore per trasmissione HT : HT = LD + LS + HU LS è il coefficiente di accoppiamento tra spazio riscaldato e terreno Hu è il coefficiente di perdita di calore verso ambienti a temperatura diversa dall’ambiente considerato LD il coefficiente di accoppiamento (perdita per dispersione) tra lo spazio riscaldato e l’esterno attraverso l’involucro edilizio LD i Ai Ui k l k Yk j c j Ai = superficie dell’elemento i – esimo dell’involucro edilizio [m2]; Ui = trasmittanza termica dell’elemento i-esimo[W/(m2K)]; lk = lunghezza del ponte termico lineare, [m]; Yk = trasmittanza termica lineica del ponte termico lineare k, [W/(m K)]; cj = trasmittanza termica puntuale del ponte termico j, [W/K] Capacità termica In generale al concetto di capacità termica si associa anche il concetto di ritardo temporale. In realtà tale concetto andrebbe integrato dal valore della diffusività termica [ a= l/ (c r)] che esprime il rapporto tra la capacità di condurrre energia termica rispetto alla capacità di immagazzinare energia. Bassa diffusività significa che il materiale impiega più tempo per raggiungere un nuovo equilibrio termico, elevata diffusività significa rapida risposta ad una variazione termica Alternativamente, è stato usato il concetto di massa termica areica m [kg/m2] Secondo UNI 10344 (ritirata), è il minimo tra: a) Massa fisica degli strati compresi tra l’aria interna e lo strato di isolante concentrato m = S m i = S si r i b) m = r d r = densità del primo strato interno (escluso intonaco) d = spessore efficace [m] d = 3,71 (l/r)0,5 Massa termica areica m [kg/m2] Esempio Descrizione Intonaco interno Calcestruzzo Isolante Mattoni Intonaco esterno s [m] 0,02 0,24 0,05 0,08 0,02 l[W/(m K)] 1,2 0,36 0,045 1,8 0,8 d = 3,71 · (0,36/ 2200)0,5 = 0,047 m a) m = 0,02 · 1200 + 0,24 · 2200 = 552 kg/ m2 b) m = 0,047 · 2200 = 103,4 kg/m2 r [kg/m3] 1200 2200 40 1000 1600 Ma cosa succede in uno strato di una certa profondità, quando all’esterno la temperatura varia tra un minimo ed un massimo in un certo periodo temporale (es. 24 h)? q ? qmedia tempo q Variazione esterna Ad una generica profondità qmedia t1 - t2 q tempo Dqmax,0 – Dqmax,A t0 – tB Dqmax,0 – Dqmax,B qmedia A profondità maggiore t0 - tA tempo Osservazione n°1 L’oscillazione di temperatura alla generica ascissa di profondità x = A presenta lo stesso periodo dell’oscillazione imposta in x = 0 nello stesso generico istante t Osservazione n°2 L’oscillazione di temperatura alla generica ascissa di profondità x = A risulta in ritardo (sfasata) rispetto alla oscillazione imposta in x = 0 Osservazione n°3 L’oscillazione di temperatura alla generica ascissa di profondità x = A risulta smorzata rispetto alla oscillazione imposta in x = 0 Osservazione n°4: Lo smorzamento e lo sfasamento aumentano al crescere della distanza x Lo smorzamento e lo sfasamento aumentano al crescere del parametro b e quindi al diminuire della diffusività termica, ovvero all’aumento del calore specifico e della densità del materiale w p cr b 2a P l w = 2 p /P P = periodo (es. 24 h = 86 600 s) a = diffusività termica [m2/s] = l/(c r) r = densità [kg/m3]; l = conducibilità termica [W/(m K)] c = calore specifico [J/(kg K)] Come sarebbe possibile ridurre le escursioni di temperatura? Quali proprietà dell’involucro occorre ottimizzare in modo più accurato? Massa termica (densità) Capacità /calore specifico Conducibilità termica La norma UNI EN 13786 consente di valutare il comportamento di una singola parete come risposta ad una sollecitazione periodica, ma non dell’intero edificio. q q tempo tempo Ma tutto l’edificio risponde alla sollecitazione termica Il comportamento dinamico di una struttura edilizia può essere valutato mediante la norma UNI EN ISO 13786 Parametri significativi trasmittanza termica dinamica (periodica) Yie rappresenta una sorta di extra flusso termico dovuto alla variazione della temperatura oltre il valore medio fattore di decremento ritardo temporale (time shift) In pratica bassi valori del fattore di decremento f congiuntamente ad alti valori della capacità termica areica interna e alti valori nello sfasamento della trasmittanza termica periodica denotano migliori caratteristiche delle pareti nell’attenuazione degli effetti delle sollecitazioni termiche esterne estive. Trasmittanza Termica Periodica Yie Fe θ0 Fi θe θ B F0 A θe Δt θi P t Fi = F0 + B sin [ω (t + Δt)] P t θe = θ0 + A sin (ω t) F Fmax = U (θe - θi) + A Yie [W /m2 ] A = semi ampiezza escursione termica B = semi ampiezza escursione flusso termico P = periodo (24 h) ω = 2π/P = freq. ang. Trasmittanza Termica Periodica • La trasmittanza termica periodica tra esterno ed interno è definita come: Yie = B / A = U f [ W /(m2 K )] • La potenza termica max trasmessa è quindi pari a: Fmax = U (θe - θi) + A Yie [ W /m2 ] Fmax = U [(θe - θi) + A f ] [ W /m2 ] Per esempio il tetto: descrizione (dall'interno) s l r c Legno mineralizzato PV 50 0,05 0,077 360 1550 guaina 0,0015 0,1 680 1700 Fibra di canapa 0,05 0,033 80 1600 Legno mineralizzato PV35 0,05 0,077 370 1550 guaina 0,0015 0,1 680 1700 intercapedine d'aria 0,05 0,026 1,2 1005 tavolato guaina impermeabilizzante 0,035 0,0015 0,13 0,1 500 680 1600 1700 coppi 0,02 2 1250 2700 con s = 5 cm di fibra di canapa con s = 10 cm di fibra di canapa Ucopertura = 0,291 W/(m2 K); Ms = 86,1 kg/m2 Ucopertura = 0,202 W/(m2 K); Ms = 90,1 kg/m2 YIE = 0,126 W/(m2 K); time shift = 9,6 [h] YIE = 0,068 W/(m2 K); time shift = 11,6 [h] Costante di tempo dell’edificio Cm 3,6 (HT HV ) Cm = capacità termica interna dell’edifico Cm = Sj ki Aj k = capacità termica areica secondo UNI EN ISO 13786 dell’elemento jesimo A = superficie dell’elemento j-esimo Sono considerati tutti gli elementi in contatto diretto con l’aria ambiente interno. In alternativa, come indicato nell’Allegato A della norma UNI EN ISO 13786, va considerato la stratigrafia degli elementi interni fino al valore massimo dello spessore pari a 0,10 m. edificio residenziale Vigo di TON (TN) GG = 3143 Zona F Trasmittanza termica di componenti di involucro: Muro esterno: U = 0,24 W/(m2 K) Tetto: U = 0,27 W/(m2 K) Geometria: Volume: 727 m3 Area: 242 m2 Area finestrata / Area disperdente totale = 0,08 22 July 40 AMBIENTE INTERNO AMBIENTE ESTERNO °C 35 35 30 30 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 3 6 9 12 15 18 21 24 3 6 9 12 15 18 21 24 3 h 6 0 22/ 07/ 2004 0.00 23/ 07/ 2004 0.00 t i m e [ d d / m m / y y h h :m m ] Valori misurati – Vigo di TON (TN) estate 2004 July week 40 Smorzamento 35 S = Ai / Aest 30 S1(soggiorno) S2(camera da letto) 25 20 0,15 ÷ 0,35 0,07 ÷ 0,18 15 Sfasamento orario sulla text massima 10 s1t s2t 5 ext 0 16/ 07/ 2004 0.00 17/ 07/ 2004 0.00 18/ 07/ 2004 0.00 19/ 07/ 2004 0.00 20/ 07/ 2004 0.00 21/ 07/ 2004 0.00 t i me [ dd / mm / gg hh:m m ] 22/ 07/ 2004 0.00 23/ 07/ 2004 0.00 F1(soggiorno) = 5h10m F2(camera da letto) = 7h Qualche considerazione sulla trasmissione periodica del calore Quando lo strato di isolamento termico viene spostato sul lato esterno della parete, la trasmittanza termica periodica Yie diminuisce, e così il fattore di decremento f. Ugualmente, poiché il flusso di calore periodico dovuto alla differenza di temperatura tra interno ed esterno aumenta quando il fattore di decremento aumenta, se lo strato di isolamento termico viene spostato sul lato esterno della parete, il flusso di calore diminuisce il suo valore. Con lo spostamento dell’isolante verso la parte esterna della parete, si può verificare che il time shift si allunga. L’uso di materiale isolante sul lato esterno della parete è quindi suggeribile per il clima dell’area mediterranea Tetti verdi Bass - National Research Council - Canada, 2003 16 luglio 2001 Cliff Davidson The ONCenter Green Roof in Syracuse (USA) Potenziale di risparmio energetico per un tetto verde per un edificio con diversi gradi di isolamento (Atene, Grecia) da: Castleton H.F., Stovin V., Beck S.B.M., Davison J.B. Green roofs; building energy savings and the potential for retrofit Energy and Buildings, Vol. 42, pp. 1582–1591, 2010 Alcune note 1. I tetti verdi possono ridurre in modo significativo l'uso di energia negli edifici scarsamente isolati, sia nel caso del raffrescamento estivo che nel riscaldamento invernale. 2. Più spesso è il substrato del suolo sul tetto, migliore è il guadagno / perdita di calore nell'edificio. 3. Un terreno meno denso ha più sacche d'aria ed è quindi un isolante migliore. 4. Il contenuto di umidità del suolo influenza l'entità del calore perso attraverso l'evapotraspirazione. In caso di terreno umido, è stato dimostrato che il calore è disperso dall’edificio grazie ad un maggiore effetto dell'evapotraspirazione. La conduttività del terreno aumenta anche con il contenuto di umidità, il che significa che le condizioni del suolo più asciutte offrono un migliore isolamento termico. https://www.ideegreen.it/stratigrafia-tetto-verde-estensivo73710.html#p4xJ2ojQ7yrqkf2r.99 1. Solaio di copertura – Base Il solaio di copertura può essere realizzato con diversi materiali edilizi anche se in genere è costituito da laterocemento. 2. Primer bituminoso – Strato fissativo La superficie da coprire con il tetto verde dovrà necessariamente essere trattata con un primer bituminoso, cioè una sostanza che penetra nelle porosità del tetto per bloccare le polveri e favorire l’adesione degli strati successivi. 3. Barriera al vapore – Strato isolante I La barriera al vapore costituisce un vero e proprio strato isolante e ha il compito di proteggere il tetto dalla condensa. Da un punto di vista edilizio, lo strato isolante o barriera al vapore è dato da una membrana di bitume armata con lamina di alluminio accoppiata a un monostrato di poliestere. 4. Isolamento termico – Strato isolante II Ha il compito di coibentare l’abitazione proteggendola dagli sprechi energetici. Evita la condensazione interna del vapore acqueo sulle parti fredde quindi serve a prevenire infiltrazioni e problemi correlati quali umidità e muffa. Nella stratigrafia di un tetto verde estensivo, lo strato termoisolante può avere un ruolo più o meno rilevante sullo spessore complessivo della copertura verde. In base ai materiali scelti e al grado di coibentazione, lo strato termoisolante può impegnare uno spessore che va dai 2 ai 16 cm. 5. Membrana impermeabile e 6. Membrana antiradice Si tratta di due membrane, la prima impedisce il passaggio dell’acqua attraverso la copertura e la seconda blocca un eventuale attraversamento delle radice negli strati sottostanti. Queste membrane hanno uno spessore di qualche millimetro. Sono resistenti alla lacerazione, flessibili al freddo e ottima tenuta al calore. In realtà, la membrana antiradice non è altro che una membrana impermeabile che ha subito un trattamento con additivo antiradice così come disposto dalla normativa EN13948. 7. Strato drenante Serve a gestire l’acqua piovana. Questo strato occupa uno spessore piuttosto elevato, in genere tra gli 8 e i 10 cm anche se si possono usare dei granuli di argilla espansa per uno spessore che può raggiungere i 15 cm. 8. Strato filtrante Confina la crescita delle radici delimitando lo strato successivo, quello del terreno. L’unico materiale che riesce ad attraversare questo strato è l’acqua che sarà poi gestito dal sottostante strato drenante. Questo strato ha uno spessore ridottissimo: si utilizzano tessuti geotessili, cioè foglie spessi circa 1 mm. 9. Substrato di coltura – Vegetazione Il substrato di coltura termina con la vegetazione superficiale. Questo substrato occupa uno spessore importante e i materiali normalmente impiegati prevedono una miscela di minerali (pomice e laterizio) con componenti organiche che consentono l’attecchimento delle piante (torba, fibra di cocco…). Questo strato occupa uno spessore che in genere va tra gli 8 e i 15 cm. In alcune circostanze si raggiungono anche i 20 cm. www.daku.it/sistemi/estensivo 1.Vegetazione DAKU SEDUM ed erbacce perenni-graminacee 2.Substrato DAKU ROOF SOIL 2, spessore 10 cm (assestati) 3.Filtro DAKU STABILFILTER SFE 4.Pannello di accumulo e drenaggio DAKU FSD 20 Impianto irrigazione a pioggia Facciate a “doppia pelle” • Sono costituite da una facciata esterna in vetro e una facciata interna (che potrebbe anche essere anch’essa in gran parte di vetro) separate da uno strato d'aria che non è attivamente riscaldato o raffreddato • Può contenere dispositivi di ombreggiamento regolabili nello spazio tra le due facciate • Permette la ventilazione passiva (attraverso finestre funzionanti) anche in edifici molto alti • Risolve il problema del surriscaldamento in edifici fortemente vetrati, in particolare per le facciate rivolte a ovest • Non elimina la necessità di limitare la frazione di vetratura al fine di ottimizzare il progetto da un punto di vista energetico Pareti ventilate Sistemi opachi Sistemi trasparenti I possibili modelli per l’analisi delle prestazioni delle facciate ventilate sono, in ordine di complessità decrescente: - Modelli termofluidodinamici dettagliati che risolvono le equazioni di campo per le equazioni di conservazione (continuità, quantità di moto, energia) insieme con le equazioni fenomenologiche (leggi di Fourier, di Stefan- Boltzmann, costitutive del fluido e del solido ecc.); - Modelli semplificati integrali e/o a parametri concentrati sia per il fluido sia per il solido: • non capacitivi (ipotesi stato quasi stazionario) • capacitivi La resistenza specifica al flusso d'aria richiesta nello strato di ventilazione dipende da quanto velocemente l'aria fluisce nello strato di ventilazione, e da quanto è elevata la permeabilità all'aria dell'isolamento sottostante. Una muratura potrebbe essere progettata senza ventilazione, con scarsa ventilazione o con più o con un grado più o meno elevato grado di ventilazione. Il grado di ventilazione è controllato dalle aperture di ventilazione della facciata. La tabella 1 mostra diversi tipi di sistemi di isolamento a parete in base alle dimensioni delle bocchette di aerazione. Av è l'area dell'apertura di ventilazione nella parte inferiore della parete per metro lineare di larghezza della parete. Schermo all’acqua I sistemi di rivestimento a parete ventilata possiedono una naturale propensione a proteggere efficacemente l’edificio dall’azione combinata di pioggia e vento. Questo grazie alla presenza sia dei giunti aperti tra gli elementi di rivestimento, sia di una netta discontinuità fisica tra il rivestimento esterno e la retrostante muratura cieca, realizzata da una intercapedine che, all’uopo, dovrebbe avere uno spessore ovunque non inferiore a 2-3 cm. In caso di eventi meteorici prolungati o di eccezionale intensità, ciò impedisce che la pioggia possa giungere a bagnare in modo significativo lo strato isolante, posato anche sulla faccia esterna del tamponamento murario, o addirittura la massa della muratura, evitando in tal modo che vi sia il temporaneo incremento della trasmittanza termica e/o l’innesco di fenomeni di degrado della parete. Per garantire l’effetto sopra descritto l’intercapedine deve essere continua e non soggetta, sotto l’azione del vento, ad una pressione sensibilmente inferiore a quella presente sulla faccia esterna del rivestimento. In caso contrario, sotto l’azione di pioggia e vento, verrebbe facilmente richiamata acqua in quantità nell’intercapedine. Funzionale ed utile all’equalizzazione della pressione dell’aria tra la faccia esterna e quella interna del rivestimento è di conseguenza la non sigillatura dei suoi giunti verticali e/o orizzontali tra elemento ed elemento. Non tamponando o sigillando i giunti tra lastre e possibile che, nel corso di eventi meteorici di una certa intensità (accompagnati da stravento), una modesta quota parte dell’acqua battente e di ruscellamento si infiltri nell’intercapedine ed una sua ulteriore frazione minima riesca a raggiungere la faccia esterna dell’isolante. Tuttavia, se lo strato coibente e continuo, non vi saranno apprezzabili conseguenze né per il medesimo né per la parete retrostante. Al massimo potrà esservi un lieve temporaneo calo prestazionale che cesserà non appena l’acqua o l’umidità assorbita rievaporeranno. Vari sono i materiali termoisolanti impiegabili nei sistemi a parete ventilata, in forma di pannelli rigidi/semirigidi oppure in materassini, la cui forma e dimensioni dipendono delle caratteristiche fisico-meccaniche del materiale, dalle modalità di trasporto, movimentazione e messa in opera del medesimo e dal valore di trasmittanza termica da assegnare alla parete. Tra essi, gli isolanti in lana di roccia hanno dimostrato una più che buona propensione all’impiego in sistemi a parete ventilata. Al riguardo merita segnalare che fra i più interessanti prodotti in lana di roccia in commercio vi sono i pannelli a doppia densità, disponibili anche con rivestimento superficiale in velo minerale di colore nero. La trasmissione dei rumori aerei attraverso un elemento di chiusura non e facilmente stimabile con strumenti analitici semplici, in quanto le leggi fisiche da utilizzare nella modellazione della trasmissione delle vibrazioni nell’aria non sono sempre riconducibili a formule elementari ed i modelli sono fortemente influenzati da: dettagli della chiusura, continuità degli strati assorbenti e di quelli di tenuta all’aria, discontinuità degli strati di separazione (ponti acustici in grado di compromettere la prestazione prevista) e dalla tipologia di parete. Le soluzioni di rivestimento a parete ventilata possono contribuire in maniera significativa all’abbattimento del rumore garantendo adeguati livelli di comfort all’interno degli edifici. Il funzionamento dell’intero sistema di rivestimento può essere assimilabile ad una “trappola acustica”. La riduzione dei livelli di pressione sonora avviene tramite la parziale riflessione dell’onda acustica incidente ad opera dalle lastre di rivestimento, l’assorbimento e la dissipazione di una quota parte della medesima mediante vibrazione dei singoli elementi (possibile grazie alle particolari modalità di fissaggio degli elementi di rivestimento alla sottostruttura) e l’assorbimento e lo smorzamento determinati anche dall’intercapedine e dallo strato di isolamento termico quando esso abbia proprietà fonoassorbenti (come nel caso della lana di roccia). Efficace può risultare un isolamento in pannelli di lana di roccia, posati a giunti sfalsati e dotati di due differenti densità: più bassa nello strato a diretto contatto della muratura di tamponamento e maggiore in quello più esterno. In tal caso il sistema a parete ventilata può garantire una buona riflessione dell’onda acustica ad opera del rivestimento esterno ed un elevato valore di assorbimento della stessa per effetto dell’azione combinata intercapedine-isolante. Ciò favorisce il raggiungimento di un elevato valore dell’indice d’isolamento acustico standardizzato, superiore ai livelli minimi prestazionali previsti dalle vigenti Normative . Nei sistemi micro o pseudo ventilati, solitamente non dotati di griglie di immissione ed espulsione aria, la circolazione dell’aria in intercapedine risulta si presente ma in misura molto limitata, ciò in funzione dell’area libera dei giunti verticali e/o orizzontali del rivestimento. In tal caso la funzione primaria dell’intercapedine abbinata al rivestimento sarà quella di protezione della parete retrostante da condizioni meteoriche avverse. Nelle pareti ventilate vere e proprie la portata d’aria dipende invece dalle dimensioni delle aperture (griglie) di ingresso ed espulsione ed e definita dal documento tecnico DTU P 50-702 janvier 1997 “Regles Th – K: Regles de calcul des caracteristiques thermiques utiles des parois de construction”, paragrafo “2,14 Parties courantes comprenant une lame d’air ventilee”. Tale procedura di calcolo e riproposta anche all’interno della normativa italiana UNI 11018:2003 - Rivestimenti e sistemi di ancoraggio per facciate ventilate a montaggio meccanico - Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione e la manutenzione - Rivestimenti lapidei e ceramici 4. Con riferimento alla tipologia di ventilazione in intercapedine si possono identificare i tre casi seguenti: - pareti molto debolmente microventilate); - pareti debolmente ventilate; - pareti fortemente ventilate. ventilate (dette anche La ventilazione dell’intercapedine e caratterizzata: - dal rapporto tra l’area totale delle aperture superiori e inferiori di ventilazione s [m2] e dalla lunghezza della parete L [m], nel caso di pareti verticali o assimilabili che formano con l’orizzontale un angolo superiore a 60°; - dal rapporto tra la sezione totale dei fori di ventilazione s [m2], e la superficie della parete A [m2], nel caso di pareti inclinate che formano con l’orizzontale un angolo uguale o inferiore a 60°. Pareti molto debolmente ventilate Le pareti molto debolmente ventilate sono definite in base ai valori: -- s/A < 0,0003 m2/m2 per le pareti inclinate (α ≤ 60°); -- s/L < 0,002 m2/m per le pareti verticali o assimilabili (α > 60°). Il calcolo della trasmittanza termica e effettuato supponendo un’intercapedine d’aria non ventilata, ovvero utilizzando la formula qui di seguito riportata: 1 1 1 Ri Rlama Re U hint hest - U è la trasmittanza termica totale della parete [W/(m2K)]; - hi è il coefficiente di scambio termico superficiale convettivo-radiativo interno [W/(m2K)]; - Ri è la resistenza termica della parte interna della parete [m2K/W]; - Rlama è la resistenza termica della lama d’aria [m2K/W]; - Re è la resistenza termica della parte esterna della parete [m2K/W]; - he è il coefficiente di scambio termico superficiale convettivo-radiativo esterno [W/m2K]. Pareti debolmente ventilate Le pareti debolmente ventilate sono definite in base all’angolo d’inclinazione rispetto alla verticale: - pareti verticali o assimilabili, (α > 60°); - pareti inclinate (α ≤ 60°). Le pareti debolmente ventilate che formano con l’orizzontale un angolo uguale o inferiore a 60° sono definite da: 0,0003 ≤ s/A < 0,003 m2/m2. Il valore della trasmittanza è dato dalla formula: U U0 l ( U0 2 ) Ue - U0 e la trasmittanza termica della parete supposta non ventilata [W/(m2 K)]; - l è il coefficiente funzione della somma (Ui + Ue) [W/(m2 K)]; - Ue è la trasmittanza termica della parte esterna della facciata [W/(m2 K)]; - Ui è la trasmittanza termica della parte interna della parete [W/(m2 K)]; 1 1 R Ri lama Ui hint 2 R 1 1 Re lama Ue hest 2 Le pareti debolmente ventilate che formano con l’orizzontale un angolo superiore a 60° sono definite da: 0,002 ≤ s/L < 0,05 m2/m. Il valore della trasmittanza e dato dalla formula: U U0 J ( U0 2 ) Ue In questa formula, J e un coefficiente funzione del rapporto s/L e U0/Ue e della somma (Ui + Ue), mentre Ui, Ue e U0 hanno lo stesso significato sopra riportato. Il valore di J, espresso in W/(m2K) è cosi calcolato: - per 0,002 ≤ s/L < 0,02 m2/m, dalla lettura dell’abaco; - per 0,002 ≤ s/L < 0,05 m2/m, moltiplicando per 1,35 il valore letto sull’abaco Pareti fortemente ventilate Anche per le pareti fortemente ventilate, si effettua una distinzione a seconda dell’esposizione (orientamento rispetto ai punti cardinali) e dell’inclinazione: - s/A ≥ 0,003 m2/m2, per le pareti orizzontali (α ≤ 60°); -s/L ≥ 0,05 m2/m, per le pareti verticali (α > 60°). Il calcolo viene effettuato trascurando il rivestimento esterno e considerando ferma l’aria nell’ambiente esterno. Il valore della trasmittanza è dato dalla formula: 1 1 1 Ri U hint hest con: 1/hi + 1/he = 0,22 [m2 W/K] Igro-sensibilità Un aspetto essenziale del comportamento delle soluzioni tecniche d’involucro e quello del controllo delle formazioni di condensazione superficiale ed interstiziale che, oltre ad influire sulle condizioni di igiene e salubrità degli ambienti, può avere influenza sulla prestazione energetica, nonchè sulla durabilità e sull’aspetto estetico delle soluzioni stesse. Al riguardo va tenuto presente che la formazione di condensa avviene quando il flusso di vapore acqueo che lambisce ed eventualmente anche permea un componente edilizio, a seguito della progressiva diminuzione della temperatura, giunge a saturazione e subisce una transizione di fase da vapore a liquido. Qualora la formazione di condensa avvenga su una delle due facce della parete si parla di condensazione superficiale (ciò si manifesta quando la temperatura superficiale interna o esterna della parete e inferiore a quella di rugiada). Se invece la transizione di fase avviene all’interfaccia tra due strati, oppure all’interno dei pori di uno dei materiali costituenti la parete di facciata, la condensazione si dice interstiziale. Sulla superficie interna di una parete si ha la formazione di condensa quando la sua temperatura e inferiore a quella di rugiada per l’aria che la lambisce, giacchè il valore della temperatura di rugiada non è fisso ma funzione della temperatura e dell’umidita relativa dall’aria presente nell’ambiente. High school example: Grandschule in Riedberg, Frankfurt South facade Source: Danny Harvey Triple-glazing throughout, maximized passive solar heat gain Source: Danny Harvey Retractable external shading Source: Danny Harvey Passive ventilation and night-time cooling; mechanical system shut off from ~ early May to end of September Source: Danny Harvey Corridor DSF, Centre for Cellular and Molecular Biology, University of Toronto Source: Sandy Kiang,Toronto Scuola media Empoli - 2001 Superficie riscaldata o superficie lorda 1.800 m2 Superficie netta 1.800 m2 Volume riscaldato o raffrescato 7.500 m3 Superficie dell´involucro edilizio 600 m2 Numero medio di occupanti 70 occupanti Elemento Costruttivo Trasmittanza Termica (W/m2K) Muro esterno in laterizio 0,28 Finestra 1,7 Copertura ventilata 0,28 Solaio: spazi tecnici e magazzino 0,50 Valore medio di trasmittanza termica 0,43 Dispositivi di controllo solare ed ombreggiatura ben progettati riducono drammaticamente il guadagno termico di picco dell’edificio e la necessità di raffrescamento oltre a migliorare la qualità della luce diurna all’interno dell’edificio stesso. La scuola riduce la quantità di consumo energetico annuale per il raffrescamento dal 5 al 15 %. Il controllo solare e l’uso di dispositivi di ombreggiatura migliorano anche il comfort visivo degli utenti, controllando il bagliore e riducendo il rapporto di contrasto. Ciò spesso porta ad un aumento di soddisfazione e comfort. Riscaldamento Recuperando ed impiegando il calore che andrebbe disperso lungo la canna fumaria, le migliori caldaie ad alta efficienza possono funzionare con efficienze stagionali superiori al 90%. Recuperando il calore della canna fumaria, la temperatura dei fumi arriva ad un valore in cui il vapore prodotto dalla combustione viene condensato. Un effetto collaterale è dovuto al fatto che la condensa, normalmente acidula, deve essere eliminata attraverso un sistema di drenaggio. Tutte le caldaie a condensazione producono pennacchi di fumo dalla canna fumaria che sembrano vapore. I pennacchi di fumo possono arrivare alle proprietà confinanti provocando fastidio e condensa sul vetro o sui profili delle finestre per cui è necessario un attento posizionamento della canna fumaria soprattutto quando può avere effetti sulle proprietà confinanti. Il raffrescamento naturale viene garantito dalla presenza della “finestra intelligente” che si compone essenzialmente di due componenti di base in profili estrusi di PVC: la parte superiore (trasparente) che ospita i sistemi di controllo della radiazione solare e dell’isolamento, mentre la parte inferiore, opaca, contiene il sistema di ventilazione e lo scambiatore di calore. Questi due componenti possono anche essere utilizzati in modo indipendente, ed assemblati in configurazioni “normali” di infissi, in modo da fornire le prestazioni richieste. I componenti accessori che integrano la parte superiore del blocco finestra, e che possono essere montati in modo indipendente, sono costituiti da: * un pannello esterno (apribile) costituito da vetro temperato * un pannello interno (apribile) con vetrocamera 4-6-3+3 con la lastra interna bassoemissiva * una tenda oscurante motorizzata * una tenda motorizzata parzialmente riflettente (40%) * il modulo di controllo in fuzzy logic ed i sensori ambientali di temperatura, e rilevazione persone * accessori. Il consumo energetico totale è stato monitorato per dodici mesi tra ottobre 2000 e settembre 2001 con un risultato di 80 kWh/m2 annuo. Il diagramma dimostra che i sistemi passivi adottati riducono il consumo energetico sia dell’impianto elettrico che di quello meccanico. L’impianto tecnico prevede: la centrale elettrica un impianto di riscaldamento di tipo misto a pannelli radianti ed a radiatori un sistema di purificazione dell’aria un sistema di raffrescamento notturno realizzato con l’uso di tre gruppi di filtri per lo scambio di aria esterna.
