2. Nozioni di fisica edile

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1 2. Nozioni di fisica edile 2.1. Introduzione Per la progettazione di un edificio è necessario avere delle conoscenze tecniche su alcuni elementi di fisica edile che saranno puntualmente esposti nei seguenti paragrafi. Questi elementi aiutano a comprendere meglio i processi e i meccanismi che comportano un risparmio energetico ed i vantaggi dell isolamento specificati Flussi di calore negli edifici schema del bilancio energetico. Sono molti i motivi per i quali conviene dotare un edificio di un buon isolamento termico, soprattutto nel caso di edifici adibiti a residenza o uffici. La climatizzazione degli edifici ha il compito di garantire il comfort termico e igrometrico agli occupanti o utilizzatori. A tal fine è previsto il riscaldamento durante la stagione invernale ed eventualmente il condizionamento dell aria in quella estiva. In questa fase considereremo solo la stagione invernale. Di seguito è riportato uno schema del bilancio energetico nella stagione invernale: Nel periodo invernale, la temperatura deve rimanere costante ed entro i parametri di benessere indicati nel grafico al capitolo 1 punto 3.

2 La temperatura esterna durante la stagione invernale scende, quindi anche quella interna tende a scendere in maniera proporzionale alle perdite (o dispersioni) dell edificio. Maggiori sono le dispersioni dell edificio e maggiore è l abbassamento della temperatura interna. Per pareggiare e quindi mantenere alta la temperatura è necessario apportare calore tramite l impianto di riscaldamento e quindi tramite consumo di combustibile. In conclusione, maggiori sono le dispersioni dell edificio e maggiore è il consumo di combustibile. Una delle più importanti misure per l isolamento termico e quindi per il calcolo delle dispersioni è la trasmittanza termica delle strutture. La trasmittanza termica indica la quantità di calore che esce dalla parete in un metro quadro di superficie e per una differenza di temperatura tra interno ed esterno di 1 C (è espressa in w/m 2 x K). Maggiore è la trasmittanza delle strutture e maggiore sarà il consumo di combustibile La trasmittanza delle strutture Per il calcolo della trasmittanza nelle strutture omogenee semplici si utilizza la seguente formula : U = 1/(1/ α i + d/λ + 1/ α e ) [W/m²*K] dove: - α i e α e [W/m 2 K] sono i coefficienti di adduzione interna ed esterna, - d [m] lo spessore del materiale, - λ [W/m K] la conduttività termica interna del materiale. Schema della trasmissione del calore su una parete Esistono vari software per il calcolo della trasmittanza anche nel caso di strutture più complesse.

3 Da quanto sopra quindi si può capire che la trasmittanza dipende essenzialmente da due fattori: 1) Lo spessore del materiale Le dispersioni calano se lo spessore aumenta. 2) La conduttività termica del materiale Le dispersioni calano se la conducibilità termica diminuisce. Poiché non si può aumentare di molto lo spessore delle pareti, è quindi d obbligo installare dei materiali con bassa conduttività termica. I materiali con bassa conducibilità termica si chiamano appunto materiali isolanti e li affronteremo nei capitoli successivi. Cemento 8 m Muratura in sasso 6 m Mattoni normali 4 m Materiali edili con conduttività termica differente e i relativi spessori necessari per raggiungere lo stesso effetto termoisolante (valori indicativi) Mattoni porizzati Legno abete pieno Materiale isolante standard 0,15 m 0,7 m 0,5 m Anche per le strutture finestrate (finestre, porte, vetrate, ecc. ), seppur in maniera differente, è calcolato il valore di trasmittanza termica che determinerà le dispersioni. Nei capitoli successivi sarà illustrato il procedimento di calcolo e le caratteristiche fondamentali per tali strutture Coduttività termica dei materiali La capacità di un materiale da costruzione di condurre calore è quantificata in base alla propria conduttività termica specifica λ (lambda). Per materiali isolanti si intendono materiali con coefficiente λ (coefficiente lambda) minore di 0,1 W/m K. Il coefficiente λ indica la quantità di calore che fluisce ogni secondo attraverso 1 m 2 di materiale da costruzione dello spessore di 1 m con una differenza di temperatura tra interno ed esterno di 1K (=1 C). Il coefficiente di conduttività termica λ (lambda) è fornito dalle ditte costruttrici o ricavato da corrette tabelle emanate dall'uni. La regola generale è quindi che minore è λ (lambda) e minori sono le dispersioni termiche e di conseguenza diminuisce il consumo di combustibile.

4 Esempio calcolo valore del valore di trasmittanza di una parete: Caratteristiche termiche e igrometriche: M3-parete in sasso portante cm 30 + isolamento cappotto 10 cm N Descrizione (dall'interno verso l'esterno) Spess. [cm] Lambda [W/mK] Cond. [W/m²K] Densità [kg/m³] Perm 1e12 [kg/mspa] Res. [m²k/w] 1 Malta di calce o di calce e cemento 1,5 0,90 60, ,000 0,017 2 muratura in sasso (2 kg/m3-2,1 25,0 2,10 8, 0, 0,119 w/mk) 3 Adesivo rasante per is. cappotto 1,5 0,70 46, ,000 0,021 4 Polistirene espanso estruso, con pelle (30 10,0 0,04 0, ,111 2,778 kg/m³) 5 intonaco plastico per cappotto 0,6 0,30 50, ,000 0,020 Spessore totale 38,6 Resistenza superficiale interna 0,130 Resistenza superficiale esterna 0,040 Trasmittanza termica [W/m²K] 0,320 Resistenza termica totale 3,125 Struttura verticale esterna Trasmittanza [W/m²K]: 0,320 Valore limite [W/m²K]: 0,455 Massa superficiale: 603,0 kg/m²

5 2.5. Accumulo del calore e sfasamento termico L accumulo di calore in un edificio è dovuto alla capacità delle varie strutture di assorbire energia termica dalla temperatura dell aria o dalla radiazione solare e di cederla quando la temperatura diminuisce. Questo fenomeno contribuisce a mantenere costante la temperatura dell edificio o ad ammortizzare l effetto della radiazione solare accumulando durante il giorno energia che poi è rilasciata durante la notte. Nella realtà la temperatura dell ambiente esterno varia durante la giornata, di conseguenza è insufficiente basare i ragionamenti in materia di isolamento esclusivamente sulla trasmittanza che, parte dal presupposto di un teorico regime stazionario di trasmissione del calore. Esiste, infatti, un influsso causato dall irraggiamento solare, che può essere più o meno significativo ma in genere tutt altro che trascurabile. Questo può avere effetti positivi in termini di contributo al risparmio energetico, riducendo il fabbisogno di energia per il riscaldamento nella stagione invernale e quello di energia per il raffrescamento nella stagione estiva, qualora le strutture disperdenti siano state concepite in modo da essere caratterizzate da una buona inerzia termica. Una progettazione intelligente dovrebbe tenere dunque conto dell inerzia termica per sfruttare adeguatamente i benefici che essa può portare in termini di benessere e comfort abitativo oltre che di risparmio energetico. L inerzia termica è un concetto piuttosto complesso da definire ed ancor più complesso da calcolare. In termini molto semplici l inerzia termica altro non è che l effetto combinato dell accumulo termico e della resistenza termica della struttura (l inverso della trasmittanza). L inerzia termica è legata sia alla capacità di accumulo del calore della massa frontale che alla conduttività dei materiali. L inerzia termica e quindi la capacità di accumulare calore dipende dalla pesantezza della struttura, infatti, più pesante è la struttura e maggiore è la capacità di accumulare calore. Una certa pesantezza della parete unita ad una ridotta conduttività termica costituiscono la migliore soluzione; in altre parole non si deve eccedere né nel peso frontale trascurando la conduttività, né al contrario ridurre eccessivamente la conduttività trascurando la massa. L inerzia termica agisce sia con effetto di smorzamento dell ampiezza dell onda termica esterna che con lo sfasamento della stessa, cioè con il ritardo di tempo intercorrente tra l impatto dell onda termica sulla superficie esterna del muro ed il suo apparire, con intensità smorzata, sulla faccia interna del muro stesso. Si possono osservare i seguenti benefici: - Lo smorzamento suggerisce subito la possibilità di ridurre il dimensionamento dell impianto termico (ovvero di condizionamento estivo) dell abitazione; - Lo sfasamento indica la collocazione temporale (cioè in quali condizioni termiche ambientali si farà sentire) dell apparire all interno dell abitazione delle condizioni peggiori del clima naturale esterno (minima temperatura notturna, d inverno; massima insolazione, d estate).

6 In presenza di grandi vetrate esposte a sud e soprattutto a ovest degli edifici una massa accumulante da sola non può comunque risolvere il problema del surriscaldamento. In questi casi è indispensabile prevedere un ombreggiatura esterna. Mentre per gli ambienti esposti a sud dotati di grandi vetrate è utile predisporre una protezione parasole efficiente accoppiata a delle masse accumulanti, questo non vale per gli ambienti utilizzati raramente come le camere degli ospiti o le case occupate solo il fine settimana. Minore è la massa accumulante da riscaldare, minore sarà il tempo necessario per raggiungere il riscaldamento a regime. Nelle costruzioni leggere e nelle coperture per la protezione dal calore estivo va osservato e considerato lo sfasamento. Uno sfasamento sufficientemente ampio (> 10 ore) di un elemento strutturale fa ritardare il passaggio dell onda termica nella misura per cui la temperatura massima del giorno riesce ad entrare all interno solo quando si può contrastare con l aria notturna fresca. Estremizzando quanto sopra si può pensare ad un esempio estremamente banale ma quanto mai concreto: Una caverna, con massa delle pareti elevatissima è in grado di preservare al suo interno condizioni di temperatura pressoché costanti nel tempo sia nelle stagioni calde sia in quelle fredde. In questo caso lo smorzamento delle variazioni climatiche esterne è praticamente totale. Una roulotte invece, rappresenta l esatto contrario. Essa ha una massa delle pareti dell involucro estremamente bassa ed al suo interno si ripercuotono integralmente ed in tempo reale tutte le variazioni di temperatura esterne Diffusione del vapore acqueo Il riscaldamento degli ambienti abitati e l alimentazione permanente di umidità dovuta al relativo utilizzo durante la stagione invernale comporta nell aria presente all interno degli ambienti un contenuto di acqua molto maggiore rispetto a quello dell aria circolante all esterno. La pressione parziale del vapore acqueo all interno degli ambienti è maggiore rispetto a quella dell aria esterna. Questa differenza di pressione provoca una migrazione (diffusione) di vapore acqueo attraverso gli elementi strutturali esterni. Nel corso della traspirazione del vapore acqueo può insorgere un fenomeno di condensazione, ovvero una formazione di acqua all interno dell elemento strutturale. Se la temperatura della superficie interna dell elemento strutturale è bassa, il fenomeno di condensazione può insorgere già sulla superficie interna, con la conseguente formazione di muffa. Attraverso un calcolo si può verificare se la struttura è soggetta alla formazione di condensa e in tal caso trovare le soluzioni più adatte per l eliminazione del problema.

7 Le parete con isolamento verso l esterno risultano meno soggette alla formazione della condensa mentre quelle con isolamento verso l interno, se non correttamente realizzate possono portare molto spesso alla formazione di condense interstiziali. L esatto livello del punto di rugiada, vale a dire la superficie all interno dell elemento strutturale su cui può formarsi l acqua e la quantità d acqua in questione, si può definire con sufficiente precisione. Ad oggi esistono anche per l applicazione interna dei materiali isolanti (isolamento interno) con elevata assorbenza capillare che sono impiegati per l isolamento con spessore ridotto fino a 5 cm senza calcoli specifici. A seconda del materiale e del suo spessore, il trasporto di vapore acqueo all interno dell elemento strutturale viene contrastato mediante l opposizione di una resistenza detta resistenza alla diffusione, indicata attraverso il coefficiente μ. Il coefficiente μ corrisponde allo spessore in m dello strato d aria che oppone alla diffusione di vapore la stessa resistenza di 1 m del materiale. Esistono dei materiali detti barriere a vapore o freni vapore che vanno applicati sempre all interno del livello del punto di rugiada in modo che il vapore acqueo difficilmente lo raggiunga. Classificazione della resistenza alla diffusione del vapore Fino a 10 Diffusione elevata Da 10 a 50 Diffusione media Da 50 a 500 Diffusione limitata Infinito Barriera a vapore In generale la resistenza alla diffusione degli elementi strutturali deve essere articolata su una resistenza forte fino al punto di rugiada e molto lieve una volta superato quest ultimo. La formazione di condense, soprattutto interstiziali può portare al degrado delle strutture e degli isolamenti con conseguente aumento delle dispersioni termiche. Pertanto è di estrema importanza effettuare la verifica su tutte le strutture mediante analisi termoigrometrica. La normativa in vigore prevede per le nuove abitazioni ed in caso di ristrutturazione dell edificio la verifica da parte di personale tecnico qualificato. I locali più soggetti alla formazione di condense sono i bagni, i servizi e le cucine in quanto sono quelli con maggiore formazione di umidità interna e quindi con maggiore migrazione di vapore. A questo proposito va sottolineato che l evacuazione dell umidità dell aria presente negli ambienti generata da attività come la cottura, il lavaggio, la doccia ecc. e dal rilascio di umidità da parte di chi soggiorna negli ambienti deve essere effettuata prevalentemente mediante un ricambio d aria adeguato.

8 Di seguito vengono riportate alcune strutture e relativa verifica igrometrica: Verifica termoigrometrica M10 - muratura in sasso cm 60 portante non isolata N Descrizione (dall'interno verso l'esterno) Mu Spess. [cm] Res. [m²k/w] 1 Malta di calce o di calce e cemento 20 1,5 0,017 2 muratura in sasso (2 kg/m3-2,1 w/mk) ,0 0,286 3 Malta di calce o di calce e cemento 20 1,5 0,017 Resistenza superficiale interna 0,130 Resistenza superficiale esterna 0,040 Totale 63,0 0,490 Mese Ti[ Pi[Pa] Te[ C] Pe[Pa] Tsi[ C] Tsi,min[ C] frsi,min gc[kg/m²] Ma[kg/m²] C] Gennaio 20, , ,3 17,9 0,8790 0, ,00000 Febbraio 20, , ,7 17,9 0,8678 0, ,00000 Marzo 20, , ,7 17,9 0,8299 0, ,00000 Aprile 20,0 z , ,9 17,9 0,7285 0, ,00000 Maggio 18, , ,5 15, , ,00000 Giugno 19, , ,9 17, , ,00000 Luglio 22, , ,1 19, , ,00000 Agosto 21, , ,9 19, , ,00000 Settembre 18, , ,6 16, , ,00000 Ottobre 20, , ,1 17,9 0,6935 0, ,00000 Novembre 20, , ,7 17,9 0,8286 0, ,00000 Dicembre 20, , ,7 17,9 0,8694 0, ,00000 Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre frsi struttura: 0,7347 La struttura è soggetta a fenomeni di condensa superficiale. La struttura non è soggetta a fenomeni di condensa interstiziale.

9 Verifica termoigrometrica M12- M10 - muratura in sasso cm 60 portante isolata a cappotto N Descrizione (dall'interno verso l'esterno) Mu Spess. [cm] Res. [m²k/w] 1 Malta di calce o di calce e cemento 20 1,5 0,017 2 muratura in sasso (2 kg/m3-2,1 w/mk) ,0 0,286 3 Malta di calce o di calce e cemento 20 1,5 0,017 4 Polistirene espanso estruso, con pelle (30 kg/m³) ,0 2,778 5 intonaco plastico per cappotto 10 0,6 0,020 Resistenza superficiale interna 0,130 Resistenza superficiale esterna 0,040 Totale 73,6 3,289 Mese Ti[ Pi[Pa] Te[ C] Pe[Pa] Tsi[ C] Tsi,min[ C] frsi,min gc[kg/m²] Ma[kg/m²] C] Gennaio 20, , ,3 17,9 0,8790 0, ,00000 Febbraio 20, , ,4 17,9 0,8678 0, ,00000 Marzo 20, , ,5 17,9 0,8299 0, ,00000 Aprile 20, , ,7 17,9 0,7285 0, ,00000 Maggio 18, , ,9 15, , ,00000 Giugno 19, , ,9 17, , ,00000 Luglio 22, , ,1 19, , ,00000 Agosto 21, , ,9 19, , ,00000 Settembre 18, , ,6 16, , ,00000 Ottobre 20, , ,7 17,9 0,6935 0, ,00000 Novembre 20, , ,5 17,9 0,8286 0, ,00000 Dicembre 20, , ,4 17,9 0,8694 0, ,00000 Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre frsi struttura: 0,9605 La struttura non è soggetta a fenomeni di condensa superficiale. La struttura non è soggetta a fenomeni di condensa interstiziale.

10 Verifica termoigrometrica M7- parete in cemento armato cm 25 - con isolamento interno N Descrizione (dall'interno verso l'esterno) Mu Spess. [cm] Res. [m²k/w] 1 Cartongesso in lastre 8 1,5 0,071 2 Polistirene espanso estruso, con pelle (30 kg/m³) 180 8,0 2,222 3 Calcestruzzo armato (con 2% di acciaio) ,0 0,100 4 Malta di calce o di calce e cemento 20 1,5 0,017 Resistenza superficiale interna 0,130 Resistenza superficiale esterna 0,040 Totale 36,0 2,577 Mese Ti[ Pi[Pa] Te[ C] Pe[Pa] Tsi[ C] Tsi,min[ frsi,min gc[kg/m²] Ma[kg/m²] C] C] Novembre 20, , ,4 17,9 0,8286 0, ,01547 Dicembre 20, , ,2 17,9 0,8694 0, ,03927 Gennaio 20, , ,1 17,9 0,8790 0, ,06732 Febbraio 20, , ,2 17,9 0,8678 0, ,08950 Marzo 20, , ,4 17,9 0,8299 0, ,10264 Aprile 20, , ,6 17,9 0,7285-0, ,09972 Maggio 18, , ,9 15, , ,07402 Giugno 19, , ,9 17, , ,03817 Luglio 22, , ,1 19, , ,00000 Agosto 21, , ,9 19, , ,00000 Settembre 18, , ,6 16, , ,00000 Ottobre 20, , ,6 17,9 0,6935 0, ,00000 Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre frsi struttura: 0,9496 La struttura non è soggetta a fenomeni di condensa superficiale. La struttura è soggetta a fenomeni di condensa interstiziale. La quantità di condensa massima (a gennaio) è di 0,10264 kg/m². La condensa evapora completamente nei mesi successivi.

11 2.7. Ricambio d aria Nel caso in cui le pareti sono realizzate con bassa permeabilità al vapore e nel caso di locali con alta formazione di umidità interna, si consiglia un accurato ricambio d aria soprattutto del periodo invernale. Per le vecchie abitazioni il ricambio d aria tradizionale si otteneva mediante apertura delle finestre durante le ore pi calde del giorno e tramite le infiltrazioni dell edificio. Negli ultimi anni invece, a causa dell isolamento termico e della realizzazione di strutture sempre più stagne, e d obbligo realizzare sistemi di ricambio d aria meccanizzati con ricambio continuo e recupero del calore. Nel caso di ricambio d aria con apertura delle finestre, infatti, tutta l aria calda interna viene fatta fuoriuscire all esterno e l aria nuova di ricambio dev essere nuovamente riscaldata con conseguente spreco di combustibile. Mediante la realizzazione di un ricambio d aria meccanico controllato invece è possibile mediante appositi macchinari recuperare una parte del calore dell aria espulsa, risparmiando quindi combustibile Reazione al fuoco Per la scelta dei materiali isolanti è bene tenere in considerazione anche il rischio d incendio relativo all edificio da realizzare. Benché non si può presumere l effetto dannoso dei gas combusti universale, non si può partire dal presupposto che nei materiali naturali in caso d incendio vengano sprigionati gas sostanzialmente meno pericolosi di quelli prodotti dalle plastiche. La tossicità dei gas combusti del polistirolo sembra addirittura essere inferiore a quella delle sostanze naturali. In caso d incendio il poliuretano sprigiona gas particolarmente pericolosi (vapori di acido prussico). E in ogni caso importante verificare con i produttori dei materiali le caratteristiche di reazione al fuoco e quindi l indice di infiammabilità Isolamento acustico Altro aspetto importante da tenere presente durante la scelta dei materiali isolanti o delle strutture e l azione fonoassorbente e quindi l abbattimento acustico. In linea generale, maggiore è il peso specifico del materiale e migliore è il comportamento fonoassorbente. Tutti i produttori in ogni caso forniscono le schede con i dati effettivi del materiale fornito.