Università degli Studi di Firenze Dipartimento di Ingegneria Industriale

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1 Caratteristiche termiche delle strutture edilizie Calcolo del fabbisogno energetico degli edifici Prof. Simone Secchi

2 Calcolo della trasmittanza termica Metodo di calcolo riportato nella norma UNI EN ISO La trasmittanza termica di una partizione è data dal reciproco della resistenza termica totale R T, somma delle resistenze termiche parziali relative ai diversi strati di cui questa è composta: 1 1 W U 2 R R R R... R R K T si 1 2 n se m R si er se sono le resistenze termiche superficiali interna ed esterna (m 2 K/W); R 1, R 2, R n sono le resistenze termiche utili relative ai diversi strati componenti la partizione. i

3 Direzione del flusso termico Ascendente Orizzontale Discendente Resistenza termica superficiale interna (R si ) 0,10 0,13 0,17 Resistenza termica superficiale esterna (R se ) 0,04 0,04 0,04 Ai fini del calcolo dei consumi energetici le norme assegnano a R si er se i seguenti valori di default indipendentemente dalla giacitura dell elemento: elemento: 0,125 (1/8) e 0, (1/23). Determinazione i delle resistenze termiche utili (W/mK) R d 2 m K W d d l t i l ( ) d = spessore del materiale (m); = coefficiente di conduttività termica (W/m 2 K)

4 Valori dei coefficienti di conduttività termica ( ) dei diversi materiali Valori dei coefficienti di conduttività termica ( ) dei diversi materiali (da norma UNI 10351)

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12 Intercapedini d aria Nel caso di pareti con intercapedini d aria aria, queste sono caratterizzate da un valore della resistenza termica da sommare a denominatore dell equazione generale della trasmittanza termica. Le intercapedini d aria sono infatti interessate da scambi termici per irraggiamento e convezione che impediscono di valutare il solo coefficiente di conduttività termica dell aria in quiete. La resistenza termica offerta dall intercapedine è differente se questa è ventilata, debolmente ventilata o non ventilata. Un intercapedine d aria si considera non ventilata, oltre al caso in cui non sia in comunicazione con l ambiente esterno, anche nei casi di ventilazione molto ridotta. Ad esempio le aperture di drenaggio conformate come giunti verticali aperti sulle pareti Ad esempio, le aperture di drenaggio conformate come giunti verticali aperti sulle pareti esterne di un muro in elementi laterizio a blocchi cavi non sono considerate come aperture di ventilazione.

13 Resistenze termiche di intercapedini d ara non ventilate in (m 2 K/W) di spessore inferiore a 30 cm Spessore Direzione del flusso termico dell intercapedine d aria (mm) Ascendente Orizzontale Discendente 0 0,00 0,00 0, , , ,11 7 0,13 0,13 0, ,15 0,15 0, ,16 0,17 0, ,16 0,18 0, , , , ,16 0,18 0, ,16 0,18 0,23

14 Resistenza termica utile di intercapedini i debolmente e fortemente ventilate La resistenza termica utile di un intercapedine d'aria daria debolmente ventilata è uguale alla metà dei valori riportati in tabella 5.5. Tuttavia, se la resistenza termica tra l intercapedine d'aria daria e l'ambiente lambiente esterno è maggiore di 0,15 (m 2 K/W), essa deve essere riportata al valore 0,15 (m 2 K/W). La resistenza termica totale di una partizione contenente un intercapedine d'aria fortemente ventilata si ottiene trascurando la resistenza termica dell intercapedine d'aria e di tutti gli altri strati che separano detta intercapedine d'aria dall'ambiente esterno e includendo una resistenza termica superficiale esterna corrispondente all'aria immobile (cioè uguale alla resistenza termica superficiale interna del medesimo componente).

15 Determinazione dei ponti termici Si definiscono ponti termici le zone dei componenti edilizi dove si registrano salti termici particolarmente elevati con conseguente raffreddamento delle superfici: in tali zone si ha una riduzione della resistenza termica e quindi un incremento delle dispersioni, ovvero il gradiente di temperatura raggiunge il valore massimo. I ponti termici sono rischiosi perché possono dar luogo a formazione di condensa e conseguente comparsa di muffe. I ponti termici si verificano per due motivi: per eterogeneità dei materiali; per ragioni di forma geometrica (spigoli, angoli).

16 Tipologie più comuni di ponti termici Più generalmente potremo dire che avremo dei ponti termici ove vi siano nodi tra elementi aventi coefficiente di trasmissione termica diversa, o qualora vi sia interruzione del materiale isolante nella struttura dell edificio: - angolo tra due pareti esterne; - giunto tra un muro ed un pavimento su passaggio aperto, cantine, box; - giunto tra un muro ed una terrazza o soffitto di sottotetto; - giunto tra un muro esterno ed un pavimento (interno o anche sporgente); - zone intorno o comprendenti i serramenti (mazzette, velette, davanzali, soglie, ecc.); - elementi strutturali ad elevata conduttanza inseriti in altri a conduttanza inferiore.

17 Esemplificazione Prof.Gianfranco Cellai

18 Esempi di ponti termici Prof.Gianfranco Cellai

19 Metodologia di calcolo dei ponti termici (UNI 14683) Per tenere conto della presenza dei ponti termici nel calcolo della dispersione termica da parte di un edificio, è necessario aggiungere termini di correzione che coinvolgono la trasmittanza termica lineica e puntuale: L U iai klk j L = coefficiente di accoppiamento termico, da utilizzarsi per il calcolo della potenza termica trasmessa attraverso una porzione dell involucro edilizio contenente ponti termici; Ui = trasmittanza termica dell i-esimo componente dell'involucro edilizio; Ai = l area del componente i; k = trasmittanza termica lineica del k-esimo ponte termico lineare; lk = lunghezza del ponte termico lineare; j = trasmittanza termica puntuale del j-esimo ponte termico puntuale (generalmente trascurabile).

20 Metodologia di calcolo dei ponti termici (UNI 14683) I ponti termici posso essere raggruppati per tipo e per disposizione dello strato isolante. Lo strato isolante può essere posizionato: sul lato esterno; nella parte intermedia; sul lato interno; uniformemente distribuito nella struttura (quando l'elemento è costituito da muratura leggera o parete intelaiata in legno) Per ogni tipo di ponte termico e per ogni posizione dello strato isolante principale vengono forniti tre valori di : i basato sulle dimensioni interne; oi basato sulle dimensioni totali interne; e basato sulle dimensioni esterne.

21 Posizione e tipologia dei principali ponti termici in edilizia

22 Nodo tra parete esterna e solai di copertura

23 Nodo tra parete esterna e solai di copertura

24 Angoli tra pareti esterne

25 Nodo tra pareti esterne e solai interpiano

26 Nodo tra pareti esterne e pareti interne

27 Nodo tra pareti esterne e pilastri

28 Nodo tra pareti esterne e serramenti di porte e finestre

29 Nodo tra pareti esterne e serramenti di porte e finestre

30 Nodo tra pareti esterne e serramenti di porte e finestre

31 Comportamento to delle e strutture in regime e dinamico: l inerzia termica In regime stazionario la disposizione degli strati è indifferente, pur evidenziando che al mutare della stessa varia l andamento interno delle temperature; ad esempio la posizione dell isolante, a seconda della stagione, mantiene una massa della parete a temperatura mediamente più o meno elevata, ovvero con una capacità maggiore o minore di accumulare calore. Nelle figure seguenti, in regime invernale, si evidenzia che la situazione ottimale è rappresentata dall isolamento a cappotto (figura 2)

32 Inerzia e capacità termica L inerzia termica può essere definita come la capacità di un componente ad opporsi alle variazioni di temperatura. Le variazioni di temperatura che si verificano sulla faccia esterna arrivano sulla faccia interna con un certo ritardo e attenuate in misura tanto maggiore quanto maggiore è la capacità termica areica C m : C m = c p m(kj/m 2 K) c p = calore specifico a pressione costante (kj/kgk) m = massa termica areica (kg/m²) la diffusività termica ² = / c p indice dell inerzia termica Prof.Gianfranco Cellai

33 Calore specifico di materiali Prof.Gianfranco Cellai

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35 Massa termica areica (UNI 10375) Pareti senza isolamento concentrato

36 Pareti con isolamento concentrato

37 Soluzioni di parete Prof.Gianfranco Cellai

38 Inerzia termica ed effetti Faccia interna della parete A E A I A = semiampiezza della oscillazione Ritardo o sfasamento temporale R t T pm= temp.media superficiale della parete Andamento temperatura sulla faccia esterna della parete Andamento temperatura sulla faccia interna della parete

39 T Università degli Studi di Firenze T pm Temperatura che varia con legge sinusoidale T max T = A I sin ( A E Inerzia termica: Schematizzazione grafica T pm = temp.media superficiale dll della parete A I T min R t = R i (s) R i = s i /v i (s) Ritardo R t con s i = spessore dello strato i-esimo v i =velocità di spostamento t dell onda d termica (m/s) v i = 2 ² (m/s) La pulsazione è pari a h h (s -1 ) Tempo ² i /(c pi i ) (m²/s)

40 Equazione di Fourier e soluzioni per l inerzia ia termica l equazione di Fourier per flusso monodimensionale, all interno della parete, ad un certo istante, ammette la seguente soluzione per una variazione di T sinusoidale e ad una profondità x dalla superficie esterna: T ( x x) ) = T m + A E e - Ri sin [ ( R i i dove R i (ritardo ritardo) è il tempo che l onda termica impiega ad attraversare lo strato i-esimo di materiale di spessore x.

41 Ritardo Dalla relazione R i = s i/v i si ha : (s -1 ) R i = s i 1 /(2 ² i ) = s i s i c pi i /(2 i ) (s) i i i i i pi i i R i = 82,76 s i c pi i /( i /s i ) = 82,76 s i c pi i /U i (s) p p Per una condizione ottimale: R t = 0,023 s i c pi i /U i 9 (h) A E A I Sfasamento (ore) Prestazioni Qualità prestazionale S>12 ottime I 12 S > 10 buone II 10 S > 8 medie III 8 S > 6 sufficienti IV 6 S mediocri V R t

42 Attenuazione A E A I R t A A I / E e (- 0,261 R t ) = e -0,261 9 = 0,10 valore di attenuazione Ad esempio, nel esempio precedente, se il punto di massimo dell onda da A E impiega pegar t = 9 h per giungere ge e sulla faccia a interna della parete, l ampiezza A E risulterà attenuata di circa 10 volte.

43 Esercizio Una parete in mattoni pieni ha le seguenti caratteristiche: Spessore s = 30 cm, = 0,72 072W/mK, c p = 835 J/kgK, = 1920 kg/m 3 si determini il valore del ritardo R t e dell attenuazione nonché il valore della ampiezza massima sulla faccia interna dopo 24 ore con i seguenti dati climatici (UNI 10349): -Temp esterna max = 37 Escursione giornaliera 10 C - semiampiezza di oscillazione A E = 10/2 = 5 C

44 Calcolo del ritardo R Dalla relazione : R t = 82,76 s i c pi i /U i (s) Si ha: R t = 82,76 [ s c pi i /U]/3600 (h) = 0,023 [ 0, /(0,72/0,3) ] = 10,3 h Prestazioni buone A E A I 10,3

45 Calcolo dell attenuazione e di Dalla relazione: e = e 0,261 10,3) = 0,07 (-0,261 Rt) Ovvero l ampiezza dell onda termica esterna A E subisce un attenuazione di circa 15 volte: = A I /A E A I = 5 0,07 = 0,35 C A E A I 10,3

46 Calcolo della trasmittanza termica periodica YIE (W/m 2 K) La trasmittanza termica periodica è stata introdotta come parametro di verifica dell inerzia termica dal DPR 59 del 2/4/2009. Essa rappresenta il prodotto della Trasmittanza U (W/m 2 K) per un fattore di decremento o attenuazione fa (-) dato dal seguente rapporto: fa= flusso termico dinamico / flusso termico stazionario fa = q dinamico /q stazionario YIE = f U (W/m 2 K) Il flusso termico in condizioni reali (q dinamico ) si riferisce al regime dinamico che si calcola attraverso la soluzione dell equazione generale della conduzione del calore in regime variabile. Il flusso termico stazionario (q stazionario ) è pari al prodotto della trasmittanza termica (U) per la differenza di temperatura tra il valore massimo esterno- interno ( T emax -Ti): q stazionario = U x ( T emax -Ti) L intervallo di valori del fattore di attenuazione (fa) è compreso tra 0 e 1: - 0 corrisponde alla situazione limite di totale accumulo di calore - 1 corrisponde alla situazione limite di accumulo di calore nullo NB. Non si deve confondere l attenuazione fa con

47 I valori limite di legge e tabella di giudizio per S, f e YIE Sfasamento (ore) Attenuazione Prestazioni Qualità prestazionale S>12 fa <0,15 ottime I 12 S > 10 0,15 fa <0,30 buone II 10 S > 8 0,30 fa <0,40 medie III 8 S > 6 0,40 fa <0,60 sufficienti IV 6 S 0,60 fa mediocri V in tutte le zone climatiche ad esclusione della F, per le località nelle quali il valore medio mensile dell irradianza sul piano orizzontale, nel mese di massima insolazione estiva, Im,s, sia 290 W/m²: 1. relativamente a tutte le pareti verticali opache con l eccezione di quelle comprese nel quadrante nord-ovest / nord / nord-est, si esegue almeno una delle seguenti verifiche: che il valore della massa superficiale Ms, di cui al comma 22 dell allegato A, sia superiore a 230 kg/m 2 ; che il valore di YIE sia < 0,12 W/m 2 K; 2. relativamente a tutte le pareti opache orizzontali ed inclinate che il valore di YIE sia < 0,20 W/m 2 K

48 Calcolo dei carichi termici in regime invernale ed estivo

49 Scopo del condizionamento Mantenere condizioni ambiente interne confortevoli significa controllare i carichi termici perturbatori generati nell edificio o trasmessi attraverso le strutture. I carichi termici che si manifestano con variazioni di temperatura, positive o negative, vengono definiti sensibili; Sono definiti latenti quelli corrispondenti alla potenza termica scambiata nei processi di deumidificazione/umidificazione i i dell aria. L aria esterna di ventilazione/infiltrazione immessa direttamente in ambiente rappresenta per i locali un carico sensibile e latente.

50 Tipologia dei carichi termici I carichi termici sensibili sono di due tipi: in ingresso o interni all edificio, detti positivi (regime estivo) in uscita dall edificio, detti negativi (regime invernale) I carichi interni provocano sempre un aumento della temperatura. Al fine di mantenere le condizioni igrometriche desiderate occorre anche deumidificare/umidificare l aria laria di ventilazione (carico latente). In sintesi occorre fornire o sottrarre una certa quantità di energia e vapor d acqua

51 Sh Schema funzionale

52 Bilancio i termico in un ambiente Per il principio di conservazione dell energia il bilancio termico dell aria racchiusa in un ambiente ad un dato istante è espresso dalla seguente equazione (segni in valore assoluto): Q C +Q V +Q G +Q P = 0 Q C = potenza termica scambiata per convezione con le pareti; Q V = potenza termica dovuta alle portate d aria di ventilazione ed infiltrazione; Q G = apporti interni gratuiti; Q P = potenza fornita dal terminale d impianto

53 Scambio termico in regime invernale generalmente Q G si trascura -Q C -Q V + Q G + Q P = 0 In regime stazionario i la componente convettiva Q C può essere determinata ricorrendo al principio di sovrapposizione degli effetti : Q C = Qt + Qs Qt = potenza termica scambiata per trasmissione Qs = potenza termica attribuita all irraggiamento solare Generalmente in inverno Qs si trascura.

54 Scambio termico in regime invernale semplificato L equazione del bilancio termico diviene: -Q t -Q V + Q P = 0 Q V è un carico termico per il terminale solo se l aria di ventilazione è immessa direttamente in ambiente; se l aria è trattata centralmente il carico termico corrispondente grava sulle batterie dell unità di trattamento aria e quindi si ha: -Q t + Q P = 0

55 Carico termico per ventilazione i Noti i contributi ti per ventilazione i ed infiltrazione i si ottiene la portata t d aria q v e quindi il carico termico Q v dovuto alla ventilazione è dato dalla relazione: Q v = q v ρ a c a (θ a θ e )(W) q v = portata d aria in m 3 /s ρ dell aria 3 a = densità (circa 1,2 kg/m ) c a = calore specifico dell aria (0,29 J/kg C) Oppure : Q v = 0,34 n V (θ a θ e ) (W) n = n ricambi orari (h 1 ) V = volume dell ambiente (m 3 ) ρ a c a = 0,34 (Wh/m 3 C)

56 Carichi termici iestivi i Diventa fondamentale sia il carico termico dovuto alla ventilazione Q V, talora anche quello degli apporti interni Q G ma soprattutto quello dovuto all irraggiamento i solare Q S : Q S = Q SE +Q SI (W) Q S = potenza termica attribuita all irraggiamento solare Q SE apporti della radiazione solare attraverso componenti opachi; Q SI apporti attraverso componenti trasparenti;