Evoluzione tecnologica e prestazionale dei serramenti

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1 Evoluzione tecnologica e prestazionale dei serramenti Gianfranco Cellai Laboratorio di Fisica Ambientale per la Qualità Edilizia Università di Firenze gianfranco.cellai@unifi.it

2 COMPONENTI VETRATI E QUADRO NORMATIVO Riferimento Contenuti Parametro D.M e s.m.i D.P.C.M D.Lgs. 192/05 e s.m.i D.P.R. 52/09 Requisiti igienico sanitari dei locali di abitazione Requisiti acustici passivi Prestazioni energetiche invernali degli edifici Prestazioni energetiche invernali ed estive degli edifici Fattore medio di luce diurna (FLDm) Apertura minima di aerazione 1/8 della superficie del pavimento Valore minimo di isolamento acustico di facciata (D 2mnTw ) Limiti massimi di trasmittanza del vetro U g e del serramento U w Proprietà radiative ed efficacia della schermatura solare 2

3 INTERFERENZA TRA REQUISITI COGENTI L illuminazione naturale degli ambienti richiede valori elevati di trasmissione luminosa τ v ed una buona resa cromatica Ra dei vetri Ciò contrasta con: - il requisito di protezione acustica, che richiede l uso di vetri stratificati e di spessore maggiore; - il risparmio energetico che impone l uso di vetri bassoemissivi; - il controllo dell irraggiamento solare divenuto fondamentale per la certificazione energetica degli edifici (sistemi schermanti esterni sostituibili con vetrate aventi g 0,5 D.P.R. 02 aprile 2009 n 59 ); Tutte queste azioni portano a penalizzare τ v e Ra con conseguenze sulle dimensioni dei serramenti e talora del benessere delle persone. 3

4 Cosa sta accadendo attualmente? A partire dal marzo 1998 sono entrate in vigore le norme in materia di requisiti acustici degli edifici A partire dall ottobre 2005 sono entrate in vigore le nuove norme in materia di requisiti termici A partire dal febbraio 2007 sono state aggiornate le norme suddette con il D.lgs.311/06 poi confermate dal DPR 59/09 in vigore dal 01/2010. delle chiusure apribili ed assimilabili, quali porte, finestre e vetrine anche se non apribili, comprensive degli infissi, considerando le parti trasparenti e/o opache che le compongono, deve rispettare i limiti riportati nelle tabelle 4.a e 4.b. Restano esclusi dal rispetto di detti requisiti gli ingressi pedonali automatizzati. In breve dal 2009 non è più possibile usare i tradizionali serramenti

5 Le chiusure trasparenti richiedono due verifiche U g U w Ad esempio nel 2011 zona D U g 1,9 W/m²K U w 2,4 W/m²K

6 I parametri esprimenti le prestazioni Per l isolamento si fa riferimento alla trasmittanza del serramento U w (W/m²K) e del vetro U g (W/m²K) Per quelle energetiche in relazione all irraggiamento si fa riferimento alla trasmissione solare g (%) del vetro Per quelle ottiche si fa riferimento alla trasmissione della luce TL (%) del vetro Per quelle acustiche si fa riferimento al potere fonoisolante del serramento R w (db) e del vetro R wg (db) ed alla classe C di tenuta all aria aria

7 L evoluzione prestazionale termica Fino al 1976 Trasmittanza U w 6 W/m²K Permeabilità aria non classificata Trasmissione luminosa T l = 0,9 dal 1976 al 1998 (L.373/76) dal 1998 al 2005 (DPCM ) dal 2005 (D.Lvi 192/ /06) Trasmittanza U w 3,3 W/m²K Permeabilità aria C = 2-3 Trasmissione luminosa T l = 0,8 Trasmittanza U w 2,8 W/m²K Permeabilità aria C = 3-4 Trasmissione luminosa T = 0,7 Zone D,E,F U = 2,0 2,4 W/m²K ( ) Zone A,B,C U = 2,6 4,6 W/m W/m²K ( )

8 L evoluzione prestazionale acustica Fino al 1976 Potere fonoisolante R w 28 db Battute senza guarnizioni dal 1976 al 1998 (L.373/76) dal 1998 al 2005 (DPCM ) dal 2005 (Acustico+termico) Potere fonoisolante R w 32 Una guarnizione di battuta Potere fonoisolante 39 db R w 32 db Potere fonoisolante R w 37 db 2 3 guarnizioni di battuta

9 I requisiti acustici passivi di facciata Pareti esterne composte: Muratura + finestra Rw = 28 db Rw = 54 db Categorie residenze, alberghi, pensioni e assimilabili scuole e simili ospedali, cliniche, case di cura e simili uffici, per attività ricreative, di culto, di commercio o simili D 2m,nT,w minimo Isolamento acustico di parete di 12 m² con finestra 2 m² R tot = 10 lg [12m²/(10 x 10 54/ x 10 28/10 )]= 35,7 db Isolamento acustico di parete di 12 m² con finestra 2 m² R tot = 10 lg [12m²/(10 x 10 54/ x 10 38/10 )]= 45,3 db

10 L evoluzione tecnologica Uso di doppi vetri uniti al perimetro; Uso di vetri stratificati ai fini acustici; Incremento dell isolamento termico dell intercapedine vetrata; Interventi sul telaio per ridurre le dispersioni conduttive e aumentare la tenuta all aria aria anche ai fini acustici; Trattamento superficiale dei vetri per ridurre l irraggiamento.

11 Le ultime novità D.Lvo 311 /06+311/06 Recepimento della Dir. All.I Norme transitorie Valori minimi di trasmittanza per vetri e serramenti EVOLUZIONE TECNOLOGICA DEL TELAIO

12 L evoluzione tecnologica del vetro EVOLUZIONE TECNOLOGICA DEL VETRO

13 Cosa si richiede ai serramenti? La questione, apparentemente semplice, in realtà presenta numerose contraddizioni in relazione al dimensionamento: - per assicurare una idonea aerazione; il parametro più diffuso è 1/8 della superficie del locale; - per assicurare una idonea illuminazione; il parametro più diffuso è il fattore di luce diurna medio FLDm; I suddetti parametri, ed in particolare il FLDm, d altra parte richiedono grandi superfici vetrate e questo contrasta, evidentemente, con il contenimento dei consumi energetici ma anche con la protezione acustica di legge. L incremento dei costi connesso al rispetto dei provvedimenti è, pertanto, notevole (circa il 30-40% in più rispetto al passato), e spesso appare sproporzionato rispetto agli obiettivi da raggiungere, tanto che è ragionevole rivedere le normative.

14 LE NORME TECNICHE ENERGETICHE UNI EN 673 Vetro per edilizia Determinazione della Trasmittanza termica-metodo di Calcolo (1999) UNI EN 410, Vetro per edilizia Determinazione delle caratteristiche luminose e solari delle vetrate (2000) UNI EN ISO Finestre, porte e chiusure-calcolo della trasmittanza termica- Metodo semplificato (2002) UNI EN Finestre e porte Permeabilità all aria-classificazione. (2000)

15 LE NORME TECNICHE ACUSTICHE Pr EN Finestre, porte e chiusure-prodotti standard, caratteristiche prestazionali (2004) UNI TR Acustica in edilizia Guida alle norme serie UNI EN per la previsione delle prestazioni acustiche degli edifici. Applicazione alla tipologia costruttiva nazionale. (2005) UNI EN Finestre e porte- Permeabilità all aria-classificazione

16 Aspetti di scambio termico presi in esame radiativi Bassa emissività conduttivi convettivi Gas speciali e frazionamento dell intercapedine Conduttivi di telaio e del bordo di unione Miglioramento di telai e distanziatori

17 Relazioni di calcolo delle prestazioni UNI EN U g = trasmittanza vetrata U W Ψ g = trasmittanza distanziatore U f = trasmittanza telaio U W = A g U g + A f U f + I g Ψ g /(A g + A f ) (W/m²K)

18 Dal singolo al doppio vetro (UNI EN 673UNI - EN ISO ) vetro λ= = 1 W/mK U g = 6 W/m W/m²K Altri tipi di gas aria λ= = 0,025 W/ U g = 3,3 W W/mK Conduttività termica 40 volte inferiore! doppio vetro unito al perimetro 4 Vetri bassoemissivi Rs = 1/(hr + hg)

19 Riduzione della conduttanza del gas h g : gas speciali (UNI EN 673UNI - EN ISO ) h g = Nu λ /s conduzione Altri tipi di gas convezione Gas Spessori Massa Conduttività Resistenza intercapedine volumica termica λ termica in regime (W/mK) intercapedine conduttivo Kg/m 3 Rs (Nu=1) (m 2 /KW) Aria 16 mm 1,277 0,0250 0,194 Argon 16 mm 1,699 0,0168 0,214 SF6 5 mm 6,360 0,0127 0,163 Kripton 10 mm 3,560 0,0090 0,225

20 Ulteriore riduzione della conduttanza: frazionamento dell intercapedine n di vetri Spessore s delle intercape dini (mm) Rs1 (m²k/ W) Rs2 (m²k/ W) Rs3 (m²k/ W) Rs (m²k/ W) ,131 0,124-0, ,180 0,168-0, ,133 0,128 0,122 0, ,181 0,174 0,165 0,520 U g (W/ m²k) 2,36 1,94 1,81 1,45 * gas aria, con le intercapedini 1, 2 e 3 numerate dall esterno verso l interno NB. h i = 8 W/m²K - h e = 23 W/m²K

21 Frazionamento dell intercapedine con films tipo Teflon Si ottengono le stesse prestazioni ma con maggior leggerezza, minor spessore e meno problemi di tenuta coating Due intercapedini sigillate a diversa pressione e temperatura coating Film plastico Vetro standard spesso e pesante Distanziatore unico 4 punti critici di tenuta del gas con due distanziatori 2 soli punti critici di tenuta del gas

22 La riduzione della conduttanza radiativa h r trattamenti bassoemissivi UNI EN spess.24 mm spess.30 mm bassoemissivi Doppio vetro e0.4 = triplo vetro Doppio vetro e0.2 = triplo vetro Rs (m²/kw) Doppio vetro spessore intercapedine (mm) spess.27 mm spess.40 mm

23 Resistenza termica dell intercapedine h g = conduttanza termica convettiva del gas (W/m²K) h r = conduttanza termica radiativa tra le superfici dell intercapedine (W/m²K) Tabella valori di R s con una sola superficie trattata

24 Irraggiamento solare A livello del suolo il 99% dell energia solare è emessa nello spettro tra 0,3 e 2,5 μm La diversità tra radiazione extratmosferica e radiazione al suolo è dovuta all assorbimento dall atmosfera esercitato dai gas che la compongono (H 2 O, CO 2, O 2, O 3 ) e pertanto lo spettro di emissione a livello terrestre presenta delle finestre in corrispondenza delle lunghezze d onda sensibili ai fenomeni di assorbimento.

25 Grandezze spettrofotometriche ed energetiche TL = trasmissione luminosa g = trasmissione energetica Energia riflessa + Energia ritrasmessa + Energia entrante = 100%

26 Prestazioni di tipici vetri

27 TRASMISSIONE SOLARE E LUMINOSA SONO STRETTAMENTE CORRELATE Valori τ v e g per vetri tipici fattore Tv fattore g

28 RELAZIONE TRA FATTORE DI LUCE DIURNA E TRASMISSIONE LUMINOSA DEL VETRO Caso di studio Locale di 14 m² alto 2,7 m Superficie finestra: 1,75 m² (1/8 sup. pianta) Pareti e pavimento chiari (r m = 0,7) Vetro pulito (M = 0,9); Muratura spessa 35 cm (Ψ = 0,85) Due ipotesi con diversa ostruzione ε senza ostruzioni esterne (ε = 0,5) con una piccola ostruzione a 10 metri dalla facciata (ε = 0,4) 28

29 ASPETTI FISICI E PSICOLOGICI DELLA LUCE NATURALE Anche se non c è una stretta relazione tra τ v e indice di resa cromatica Ra dei vetri, le persone apprezzano l illuminazione naturale attraverso vetri che non alterano la percezione dei colori delle superfici e dell arredo. Per questo dobbiamo avere l indice Ra 80, con valori consigliati per uffici e residenze Ra 90. Ciò rappresenta un problema quando si vuole controllare l irraggiamento solare mediante il trattamento cromatico dei vetri 29

30 RELAZIONE TRA TIPOLOGIA VETRO E τ λ, 0.25 RESA CROMATICA vetri con film riflettenti 0.20 Blu Ra 66 Bronzo Ra Oro Ra 97 Grigio Ra verde Ra 65 nero Ra ,08 < τ v < 0, λ(µm) 0,099 < g < 0,11 65 < Ra < 97

31 Vetri colorati Andamento spettrale τ λ e indice di resa cromatica Ra 1.00 τ λ, ,43 < τ v < 0,73 0,37 < g < 0,48 (82< Ra < 98) Bronzo Ra 94 Grigio Ra 95 Verde Ra 88 Blu Ra 82 Chiaro Ra λ(µm) I vetri blu e verde sono preferiti rispetto ai colori bronzo e grigio, poiché hanno valori τ v e g rispettivamente maggiori e minori.

32 Assenza di schermature: la limitazione dell apporto energetico e luminoso Trattamento in faccia 2 Vetrata antisolare riflettente TL = 18 % g = 22 % SC = g/0,87 = 25 % U g = 2,4 W/m²K

33 La limitazione dell apporto energetico e luminoso: vetri selettivi Trattamento in faccia 2 Vetrata selettiva antisolare basso- emissiva TL = 49 % g = 36 % SC = 41 % Ug = 1,4 W/m²K

34 La limitazione dell apporto energetico e luminoso: vetri selettivi Vetrata selettiva antisolare basso-emissiva e riflettente Trattamento in faccia 2 e 3 TL = 33 % g = 30 % SC = 34 % U g = 1,3 W/m²K

35 Selettività delle superfici a, ε 0.9 Superficie assorbente a, ε 0.9 Superficie assorbente selettiva 0.1 a, ε 0.1 Superficie riflettente λ a, ε μm λ Superficie riflettente selettiva λ 3 μm λ

36 Vetri chiari e selettivi Zona opaca alla trasmissione Il vetro chiaro presenta una buona trasmissione dell energia solare fino a circa 3 μm e conseguentemente una scarsa riflessione Il vetro selettivo riduce la trasmissione e aumenta la riflessione.

37 Vetro verde di 6 mm con coating selettivo - Andamento spettrale di τ λ e ρ λ 0.9 τ τ v = 72,3 % λ, 0.8 ρ g = 39,3 % λ Ra = Trasmissione Riflessione λ(µm)

38 Vetri con coating selettivo - Andamento spettrale di τ λ e indice di resa cromatica Ra τ λ ,51 < τ v < 0,72 0,33 < g < 0,39 81< Ra < 95 acquamarina Ra 81 bronzo Ra 93 verde Ra 91 grigio Ra 91 blu Ra 86 chiaro Ra λ(µm)

39 Legge di Wien e effetto serra La seguente relazione di Wien, detta anche legge del regresso : λ max. T = costante = 2898 (K μm) Legge di Wien il valore 2898 della costante vale per valori di T e λ espressi rispettivamente in K e in μm (1 μm = 10-6 m). In pratica all aumentare della temperatura T la lunghezza d onda λ max = 2898/T diminuisce. Si osserva anche che il massimo dell emissione del sole (5800 K) è centrato nel campo del visibile.

40 Esercizio sull effetto serra Dimostrare mediante la legge di Wien l effetto serra, per una stanza con finestra avente le pareti interne a temperatura pari a circa 20 C. Posto λ max = 2898/T si ha : T = = 293 K λ max = 2898/293 = 9,9 μm a tale lunghezza d onda il vetro è opaco alla trasmissione che termina a circa 3 μm Zona opaca alla trasmissione

41 Scambi termici per irraggiamento in intercapedini L energia scambiata per irraggiamento Q 12 in intercapedini è influenzata dall emissività delle superfici Q 12 = E 12 E 21 = F ε S 1 σ (T 4 1 -T4 2 ) Ε=energia emessa dalla superficie (W) ε = emissività della superficie (-) σ = costante di Stefan Boltzman 5, W/m²K 4 T = temperatura assoluta della superficie (K) S = superficie di scambio termico (m²) T 1 T 2 E 12 E 21 ε 1 ε fattore di emissività F ε = 1/(1/ε 1 +1/ε 2 1) emissività del vetro comune ε = 0,837 λ vetro = 1 W/mK

42 Esercizio fattore di emissività delle intercapedini vetrate E 21 T 1 T 2 ε = 0,837 pertanto F ε = 1/(1/ε 1 +1/ε 2 1) = E 12 ε 1 ε ε a 0,2 si avrebbe: = 1/[2 x (1/0,2 ) 1) = 0,11 Ovvero riduco circa 7 volte lo scambio per irraggiamento

43 UNI EN ISO :2002 Prestazione termica di finestre, porte e chiusure Calcolo della trasmittanza termica - Metodo semplificato A f l g = perimetro totale della vetrata A g = area della vetrata A f = area del telaio A w = A g + A f

44 Calcolo delle trasmittanze Dal produttore o da tabella Dal produttore o da grafico Dal produttore o da tabella

45 Trasmittanza U g di vetrate doppie e triple con differenti gas sono idonei per la protezione acustica che richiede vetri stratificati

46 Trasmittanza U g di vetri tripli con differenti gas NB.I tripli vetri con intercapedini 12 mm e spessori 6 mm sono efficaci per una protezione acustica

47 Calcolo trasmittanza telaio U f U f U f = 2,2 W/m²K Spess. telaio d f (mm)

48 Valori della trasmittanza termica lineare per distanziatori ψ

49 Calcolo trasmittanza di vetrata tripla con aria nell intercapedine emissività del vetro comune ε = 0,837 λ vetro = 1 W/mK = 8 W/m²K Per sp.9 mm e aria R si = 0.15 m²k/w U g = 1/[1/ (0.004/1 ) + 2 (0.15) + 1/8]= 1/0,477= 2.1 W/m²K

50 Calcolare la trasmittanza di un serramento con le seguenti caratteristiche

51 Risultati di U w U W = A g U g + A f U f + I g Ψ g /(A g + A f ) (W/m²K) U W = 1,01 x 1,7 + 0,73 x 2,2 + 6,52 x 0,06 /(1,01+ 0,73) U W = (1, , ,391) /(1,74) = 2,1 (W/m²K)

52 Trasmittanze precalcolate U w di finestre con telaio pari al 30% del serramento U g U f

53 La tenuta all aria dei serramenti UNI EN 12207

54 Il telaio metallico a taglio termico Telaio senza taglio termico U f = 6 W/m²K Telaio con taglio termico (listelli di poliammide) U f 2,7 3 W/m²K NB. il taglio può essere considerato tale solo se separa completamente le sezioni del profilo metallico esterne da quelle interne

55 Telaio in legno 30 L L1 L2 La trasmittanza U f varia tra 1,9 e 2,3 W/m²K,, e quindi è generalmente inferiore a quella dei telai metallici con taglio termico. Tripla guarnizione PROIEZIONE DAVANZALE interno Aumento delle battute per aumentare la tenuta all aria aria e le prestazioni acustiche

56 Telaio in materie plastiche Il valore della trasmittanza del telaio U f varia tra 2,0 (PVC con profilo vuoto, simile a quella del legno) e 2,8 W/m²K (poliuretano con anima di metallo, simile all alluminio). Serramento in PVC con doppia guarnizione ione e telaio di rinforzo in tubolare d'acciaio

57 Telaio misto legno-alluminio Trasmittanza 0,7 W/m²K Potere fonoisolante R w = 43 db Schermatura a lamelle regolabili incorporata

58 Tenuta all aria aria e isolamento acustico Classe UNI EN Portata aria di infiltrazione (m 3 /h m²) m Penalizzazione acustica* (db) Fino al Dal al dal 1998 * Correzione da applicare al potere fonoisolante Rw del serramento

59 doppia DL.vo 311 Valori di trasmittanza U w e U g dal serramenti con 30% di telaio U g Telaio in legno, PVC, U f o con Taglio termico Vetri normali B Vetri Basso emissivi 1,3 (UNI EN ISO ) C D E F

60 Le prestazioni acustiche: Vetri stratificati vetri normali UNI EN ISO /6 1/6 vetri stratificati L accoppiamento dei vetri avviene con resine o polivinilbutirrale (semplice e doppio strato): consentono un incremento fonoisolante da 2 a 5 db

61 Vetri stratificati Vetro acustico Vetro stratificato Vetro normale

62 Confronto prestazioni acustiche e termiche Tipo di vetro* (mm) R w vetro db a-44.1e Spessori vetrate da 24 a 42 mm Correzione pren (db) R w finestra db T L Trasmittanza U % g W/m²K , ,8 77 2, , , , , , ,7 * il primo numero indica lo spessore del vetro esterno, il secondo lo spessore dell intercapedine, il terzo lo spessore del vetro stratificato e dello strato elastico, a = argon, e= vetro basso emissivo

63 Che spessore di vetrata usare? Finestre in legno acustiche Comuni finestre in legno 60 25

64 Aspetti acustici e aeroilluminanti nella progettazione delle finestre Categoria edificio R w appropriato Illuminazione naturale Valore di TL per un FLDm 2% (residenze) Ventilazione naturale A f 1/8 della superficie in pianta del locale

65 Aspetti energetici (dal ) Contenimento delle dispersioni Controllo irraggiamento solare Zone A-BA Comanda Rw doppi vetri normali Taglio termico Zone C-DC Comanda U g - Taglio termico - 1vetro selettivo Zone E-FE Comanda U g e U f con Taglio termico maggiorato 2 vetri selettivi o 1 selettivo + gas speciale Vetri riflettenti selettivi

66 Esempio di soluzioni per zona D dal gennaio 2010 Vetrata sp. 24 mm U W = 2,4 W/m²K R w = 37 db valore minimo per D m2,ntw = 40 db Vetro esterno spessore 6 mm normale intercapedine : aria 12 mm Vetrata interna stratificata 33.1 basso-emissiva ε = 0,3 Vetrata sp.20 mm U W = 2,4 W/m²K R w = 38 db valore minimo per D m2,ntw = 40 db Vetro esterno spessore 8 mm normale intercapedine : SF 6 6 mm Vetrata interna stratificata 33.1 basso-emissiva ε = 0,1

67 Quali sono i limiti raggiungibili? Se si usa un vetro con: due lastre con emissività < 0,05; doppia intercapedine 12 mm, sp. totale 36 mm; Gas Kripton con concentrazione > 90%; Si può arrivare a vetri con trasmittanza U w = 0,5 W/m²K ovvero confrontabili con una parete ben isolata.

68 CONCLUSIONI fino al gennaio 2010 il soddisfacimento dei requisiti acustici comporta implicitamente il rispetto di quelli termici per le zone A-B-C-D, A ma non per le zone E-F E F per le quali occorre almeno un vetro selettivo o gas aria. Dal gennaio 2010 per le zone C,D,E,F occorre utilizzare serramenti dalle elevate prestazioni termiche, oltre che acustiche, con vetri altamente selettivi e gas aria se si vuole contenere gli spessori della vetrata entro 20 mm. Purtroppo la trasmissione luminosa dei vetri acustici è ridotta rispetto ai doppi vetri comuni, con valori particolarmente bassi per i vetri trattati e ciò penalizza il fattore di luce diurna (occorrono vetrate più grandi). In sintesi le prestazioni dei serramenti sono destinate a monopolizzare l attenzione l nel settore edile sotto tutti i punti di vista: termici, acustici, luminosi (FDLm( FDLm) ) e dei costi.

69 Sintesi dei requisiti prestazionali Sintetizzando i dati illustrati, e tenendo presente il quadro legislativo, si possono suggerire i seguenti valori prestazionali di riferimento : trasmissione solare g 0,50; trasmissione luminosa 0,38 < τv < 0,65; indice resa cromatica Ra 90; trasmittanza termica Ug 1,3 W/m²K; potere fonoisolante del vetro Rw 40.

70 Grazie per l attenzionel