Project MAIN MAteriaux INtelligents. A02p1/S04p1. Tetti freddi (Cool roofs)

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1 Project MAIN MAteriaux INtelligents A02p1/S04p1. Tetti freddi (Cool roofs) A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/081

2 Contents of lesson A02 part 1/S04 part 1 Tetti freddi - Cool roofs: concetti principali e proprietà Materiali per tetti freddi: prodotti commerciali (pitture e rivestimenti, membrane impermeabili, coperture metalliche verniciate, ceramiche ed elementi con colori freddi) A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 2

3 TETTI FREDDI (COOL ROOFS) A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 3

4 Contrormisure all effetto UHI Le tecniche di mitigazione possono basarsi su: Tetti freddi Pavimentazioni fredde Colori freddi: tetti e pareti Vegetazione: tetti verdi, verde verticale, vegetazione urbana Pianificazione Urbana Finestre: schermi, vetri selettivi o pellicole selettive per i vetri Inerzia termica Tetti e pareti ventilati Free cooling A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 4

5 Il concetto Elevata riflettanza (o albedo) rispetto alla radiazione Irradianza solare entrante Elevata emittanza infrarossa (o emittanza termica) nella regione IR dello spettro Riduzione del fabbisogno di raffrescamento dell edificio Riduzione del surriscaldamento urbano Mitigazione del surriscaldamento globale roof structure Irradianza solare riflessa T sup assorbimento - conduzione T interna T sky Radiazione termica emessa T air convezione A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 5

6 Un tetto freddo ha caratteristiche ottico-energetiche superficiali che gli consentono di mantenere fredda la superficie se esposto alla radiazione solare, rispetto ad altri materiali con finitura a basso albedo (cioè bassa riflettanza solare) Materiali con colore chiaro (rivestimento, piatrelle, etc.) Finitura non metallica Questioni principali Punti principali: 1. Valutazione fisica dei tetti freddi 2. Il loro comportamento termico associato 3. Le procedure principali per quantificare queste proprietà 4. Materiali e tecniche innovative più comuni 5. La loro prestazione durante il ciclo di vita A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 6

7 Riflettanza solare (SR o ρ sol ) Irradianza [W/(m 2 nm)] UV visible solar spectrum near IR Source: Lungh. d onda [nm] A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 7

8 Riflettanza solare (SR o ρ sol ) È la capacità di una superficie di riflettere la radiazione solare nell'emisfero in cui si trova la sua fonte, integrata sull'intero spettro solare e comprende sia la componente di riflessione speculare che di riflessione diffusa. La maggior parte dell'energia solare che arriva al livello terrestre è compresa tra 300 nm e 2500 nm e la sua intensità varia al variare della lunghezza d'onda nello spettro solare, con un picco a circa 500 nm. La regione ultravioletta contiene approssimativamente 5% dell'energia. La regione visibile contiene meno della metà dell'energia solare dato che più di 50% è irradiato dalla fonte solare nella banda infrarossa dello spettro. solar spectrum I λ UV Vis NIR λ [nm] A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 8

9 Poiché gran parte della radiazione solare è compresa nelle regioni non visibile dello spettro, un rivestimento con elevato albedo non è solo una superficie di colore chiaro, ma dovrebbe essere in grado di riflettere la radiazione solare nello spettro complessivo. Un tipico rivestimento elastomerico freddo riflette sia nella regione del VIS che in quella del NIR e può essere caratterizzato da una riflettanza solare di circa 0,85 (85%). Il biossido di titanio è responsabile del colore e della grande capacità di riflettanza nel visibile. La riflettanza diminuisce gradualmente con l'aumentare della lunghezza d'onda, per la presenza di legami C-H e la vibrazione di atomi di idrogeno nel rivestimento elastomerico (cioè organico). Riflettanza solare (SR o ρ sol ) solar spectrum I λ UV Vis NIR λ [nm] A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 9

10 Emittanza infrarossa (E o ε) È la capacità della superficie di ri-emettere il calore precedentemente assorbito dalla stessa; rappresenta la emissione infrarossa (termica) comparativa / relativa rispetto ad un corpo nero, l'emettitore massimo teorico operante in condizioni simili, dati una certa lunghezza d'onda e temperatura. Nelle comuni applicazioni per le costruzioni, l'emittanza infrarossa (o emittanza termica) di una superficie è di solito maggiore di 0,80-0,85 (80-85%) e spesso vicino a 0,90 (90%), ad eccezione per quegli strati che sono basati sui componenti metallici, per esempio le coperture in alluminio. L'emittanza infrarossi dei componenti di tetto o parete è principalmente influenzata dalle caratteristiche dello strato che è esposto alla radiazione solare. Pertanto, contrariamente ad altre proprietà dell involucro, sia per SR che per E, è lo strato più esterno (alcuni decimi di millimetri di spessore) che determina sicuramente il potenziale di raffreddamento del tetto. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 10

11 Bilancio termico di un tetto La Radiazione solare riscalda la superficie del tetto Riflettanza Solare SR: frazione dell energia riflessa dalla suuperficie del tetto Emittanza (o emissività) ε: capacità della superficie del tetto di reirradiare nell infrarosso il calore assorbito Convezione Assorbimento termico del tetto, che entra nell edificio: input termico nell edificio, che comporta una richiesta di raffrescamento in estate (con bassa velocità del vento, la riemissione nell infrarosso è dominante rispetto alla convezione) A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/0811

12 Indice di riflettanza solare (SRI) SRI (da non confondere con la riflettanza solare SR) descrive la "freddezza" di un rivestimento del tetto, o una superficie in generale, dato che che unisce le due proprietà chiave, riflettanza solare ed emissività infrarossa. Lo standard ASTM E1980 riporta la procedura per calcolare questo indice, partendo dalla valutazione della temperatura superficiale T surf [K] in stato stazionario sottoposto a luce solare, temperatura apparente del cielo T sky [K], temperatura dell'aria T air [K], assorbanza solare α [%], irradianza solare di riferimento I [W/m 2 ], coefficiente di convezione [W/(m 2 K)] ed emittanza infrarossa E, come segue: α I = E σ (T surf4 T sky4 ) + h conv (T surf T air ) Per una superficie opaca (non trasparente): SR = 1 α A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 12

13 Indice di riflettanza solare (SRI) SRI: semplice scala di freddezza dove una superficie assorbente standard nera (SR=0.05, E=0.90) e la superficie riflettente standard bianca (SR=0.80, E=0.90) corrisponde a SRI = 100. Pertanto, per una superficie con nota riflettanza solare ed emittanza infrarossa, e una volta che sono note/definite le condizioni di convezione, SRI può essere calcolato come segue: SRI = 100 (T black T surf ) / (T black T white ) dove T black e T white sono le temperature superficiali in stato stazionario delle superfici di riferimento nera e bianca, e T surf è la temperatura superficiale in stato stazionario della superficie considerata, calcolata con la relazione: (1 SR) I = E σ (T surf4 T sky4 ) + h conv (T surf T air ) A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 13

14 Indice di riflettanza solare (SRI) superficie bianca di riferimento (SR=0.80, E=0.90) Superficie nera di riferimento (SR=0.05, E=0.90) A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08

15 Incremento della temperatura superficiale Superficie nera di riferimento (SR=0.05, E=0.90) superficie bianca di riferimento (SR=0.80, E=0.90) A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 15

16 Indice di riflettanza solare (SRI) Le condizioni standard descritte nelle norme ASTM E1980 si riferiscono ai seguenti valori numerici, per questi parametri: I = T air = 1000 W/m 2 (irradianza solare di picco) 310 K (37 C) (temperatura dell aria) T sky = 300 K (27 C) (temperatura del cielo) h conv = 5, 12, o 30 W/(m 2 K) per vento debole (0<v<2 m/s), medio (2<v<6 m/s), o forte (6<v<10 m/s) Alti valori di riflettanza solare ed emissività infrarossa inducono temperature superficiali inferiori e valori SRI pertanto più elevati. Alti valori di riflettanza solare, ma bassi valori di emissività infrarossa inducono temperature superficiali più elevate, e valori SRI quindi minori. Nuovi materiali eccezionali con SR>0.80 and E 0.90 potrebbero raggiungere valori di SRI superiori a 100. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 16

17 Comportamento termico di un tetto freddo ESTATE: elevato effetto del tetto freddo a causa della abbondanza di radiazione solare e del guadagno termico.. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 17

18 Comportamento termico di un tetto freddo INVERNO: la temperatura superficiale non è particolarmente influenzata dall applicazione di un tetto freddo, dato che l irradianza solare è debole in questo periodo e il surriscaldamento diurno non è rilevante, in particolare nei giorni nuvolosi. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 18

19 La misurazione delle proprietà dei tetti freddi Riflettanza solare SR Ampia varietà di metodi e diverse procedure strumentali sono riconosciuti da CRRC e ECRC. 1. Spettrofotometro con sfera integratrice, 2. Riflettometro, 3. Doppio piranometro. Spettrofotometro: Norma di riferimento ASTM 903. Gamma solar nm. I valori finali sono calcolati tramite un valore medio ponderato rispetto alla irradianza spettrale solare standard A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 19

20 La misurazione delle proprietà dei tetti freddi Emittanza infrarossa E Tutte le superfici a temperatura ambiente (circa 300 K) emettono radiazioni quasi completamente tra i 5'000 e 50'000 nm (5 e 50 m), quindi nel campo dell'infrarosso. Il significato dell emittanza infrarossa è espresso nell equazione di Stefan- Boltzmann: q = E σ T surf 4 dove q [W/m 2 ] è l irraggiamento emesso per unità di area da una superficie, σ è la costante di Stefan-Boltzmann [ W/(m 2 K 4 )], T surf è la temperatura assoluta della superficie in kelvin, ed E è l emittanza emisferica della superficie. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 20

21 La misurazione delle proprietà dei tetti freddi Emittanza infrarossa E A Un emissometro portatile a termopila differenziale è lo strumento di solito selezionato per misurare l emissività emisferica di una superficie o un rivestimento applicato su una superficie. Viene prima calibrato su campioni di emittanza conosciuta, uno con valore alto ed un altro con valore basso. E 'adatto per misurazioni su campioni di elevata conduttività a temperatura ambiente. Per evitare l'aumento della temperatura, il campione viene posizionato sopra un dissipatore di calore e dovrebbe avere una superficie superiore a 15 cm 2. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 21

22 European Cool Roofs Council Project MAIN MAteriaux INtelligents I benefici reali dei tetti freddi Ha Promosso diversi casi studio: risparmi di energia fino al 40% in estate, al variare di isolamento termico, uso dell edificio, condizioni climatiche. Per gli utenti di edifici 1. Riducono la richiesta di condizionamento estivo 2. Riducono lo stress termico del tetto e potenzialmente allunga la durata del sistema 3. Migliorano il comfort termico 4. Riducono i costi di gestione e manutenzione Per decisori politici 1. Hanno un impatto positivo sull'ambiente, riducendo l'energia necessaria per il raffreddamento degli interni e le emissioni di gas a effetto serra connesse 2. Mitigano l'effetto isola di calore urbana. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 22

23 MATERIALI PER TETTI FREDDI A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 23

24 Prodotti per tetti ad elevato albedo I prodotti più diffusi in materia di rivestimenti ad alto albedo sono scandole di asfalto, coperture di tetti in metallo, tegole in argilla o cemento, e sistemi di copertura con bitumi ottimizzati. I rivestimenti cementizi sono normalmente applicati su membrane impermeabilizzanti, mentre i rivestimenti elastomerici potrebbe costituire la membrana impermeabile stessa o essere direttamente applicati ad essa. Lo SR (albedo) è maggiore di 0.65 al momento dell installazione, e l emittanza termica è sempre superiore a Source: A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 24

25 Prodotti per tetti ad elevato albedo Source: A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 25

26 Materiale Project MAIN MAteriaux INtelligents Albedo di prodotti per tetti SR [%] E [%] [%] Rivestimento nero Rivestimento bianco Tegole argilla (rosso natur.) Tegole ingobbio bianco Tegole in cemento bianco Tegole ingobbio grigio Membrane poliuretaniche bianche Membrane bituminose nere Tetti in lamiera non vernic Tetti in lamiera bianchi SRI A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 26

27 Materiali e criterio di selezione Criterio di selezione: i. Posizione in cui vengono applicati, ad esempio, per diversi contesti di costruzione ii. Periodo di costruzione, che guida lo sviluppo di tecniche specifiche sempre più sofisticate iii. Configurazione del tetto, spesso associata alla destinazione d uso ed all architettura A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 27

28 rivestimenti freddi I rivestimenti freddi vengono installati su tetti piani o a bassa pendenza (inclinazione inferiore a 9 ), tipici di costruzioni industriali o commerciali di grandi dimensioni, di solito coperti da membrane impermeabilizzanti. I tetti inclinati sono in genere visibili da terra e sono più comuni nelle architetture residenziali o tradizionali. In questi casi, i rivestimenti ad alto albedo vengono applicati su tegole, lamiere metalliche, pietre naturali o laterizi. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 28

29 Prodotti per tetti ad elevato albedo: membrane Membrane bituminose Sono sistemi impermeabili, data le loro caratteristiche chimiche, di elasticità e resistenza alla deformazione termica o altri effetti di fatica. Se non ricoperti, SR<20%. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 29

30 Prodotti per tetti ad elevato albedo: membrane Membrane bituminose fredde Sono sistemi impermeabili, data le loro caratteristiche chimiche, di elasticità e resistenza alla deformazione termica o altri effetti di fatica. Con rivestimento ad elevato albedo, SR=60 80% a seconda del coating. E è sempre intorno all 80 90% A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 30

31 Prodotti per tetti ad elevato albedo: tetti in metallo Metal roof layers I manti di copertura dei tetti in metallo sono di solito fogli o tegole fatte di acciaio zincato o di alluminio. Presentano di solito un pre-trattamento che può essere colorato sella superficie finale esterna. Sono usati principalmente in negli edifici residenziali e commerciali e, per la maggior parte, nei climi freddi, poiché possono essere facilmente installati sui tetti estremamente inclinati. Strati metallici con rivestimenti ad elevato albedo possono essere caratterizzati da SR fino a 60 70%. La negatività stà nella bassa emittanza termica, anche solo del 30% per metalli non tinteggiati. Comunque, lamiere pre-verniciate con rivestimenti freddi sono ampiamente disponibili sul mercato, con emittanza infrarossa dell 80 90% A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 31

32 Tegole Project MAIN MAteriaux INtelligents Tegole fredde Sono la il tipo di copertura più tipica nei paesi europei. Elementi singoli con diverse forme e configurazioni sono utilizzati, a seconda delle tecniche costruttive locali. Il rivestimento elevata albedo può essere applicato sopra la tegola durante la procedura di produzione industriale o semplicemente sopra il tetto, dopo la sua installazione. I materiali più comuni per tegole sono: 1. Argilla naturale (principalmente in Europa) 2. Materiali cementizi e componenti a basso costo per scandole in asfalto Nei paesi europei le tegole sono utilizzate soprattutto intorno al bacino mediterraneo e spesso rappresenta un vincolo importante, per la necessità di conservare il loro aspetto visuale. Le tegole di colore chiaro hanno di solito SR intorno 20-40%, mentre una tegola bianca potrebbe avere valori di SR intorno al 60 75%. I valori di emittanza termica sono di solito più alti dell 80%. A02p1/S04p1. Cool roofs 32 del 14/11/08

33 Project MAIN MAteriaux INtelligents Scandole in asfalto Scandole in asfalto Tipologia di copertura a basso costo, estremamente resistente anche sotto severe condizioni meteorologiche. Fondamentalmente fatte di bitume coperto da aggregati. La tipica riflettanza solare è sotto al 15%, dovuto all elevata assorbanza dei materiali a base di asfalto. Possono però essere coperte con rivestimenti ad albedo elevato, con un incremento significativo della riflettanza solare Vengono utilizzate principalmente nel Nord America, dove sono stati raggiunti sviluppi dal Berkeley Lab group, producendo scandole in asfalto con SR fino a 30 35% con finitura verde. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 33

34 Nuovi materiali Project MAIN MAteriaux INtelligents Prodotti per tetti ad elevato albedo 1. Materiali freddi con apparenza simile alle classiche finiture non-fredde, 2. Sistemi ad alta capacità termica ottenuta con l inclusione di materiali a cambiamento di fase 3. Materiali termocromici Rivestimenti con colori freddi Rivestimenti non-bianchi con una riflettanza solare relativamente alta sono ormai disponibili sul mercato. Consistono in complessi di pigmenti inorganici colorati che non sono di colore chiaro né bianco, ma possono aumentare tuttavia la loro capacità di reflettanza nella regione non-visibile dello spettro, cioè nella gamma di NIR. Quindi due rivestimenti equivalenti alla vista potrebbero comportarsi come colori freddi o non-freddi a seconda della loro capacità di riflettere quella parte della radiazione solare che corrisponde a più di 50% dell irradianza. A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 34

35 Prodotti per tetti ad elevato albedo A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 35

36 Tegole e scandole a colori freddi Cool colors Source: eetd.lbl.gov Source: A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 36

37 Durabilità delle superfici fredde Sporchevolezza (soiling) e fenomeni atmosferici sono in grado di modificare progressivamente le proprietà superficiali dei rivestimenti in questione. Il meccanismo del soiling consiste nella deposizione di particolato atmosferico e nell azione dovuta alla presenza/crescita di microorganismi. I fenomeni atmosferici sono l altro agente ambientale che influenza il comportamento fisico e la durata di rivestimento di tetti esposti all'acqua, alla luce solare, alla elevata fluttuazione di temperatura. Stress termico Irraggiamento solare Azione del vento, pioggia, neve e ghiaccio, inquinanti atmosferici Contaminanti biologici Potenziale di raffreddamento: dovrebbe essere valutato prima e dopo l'esposizione ambientale, al fine di descrivere esaurientemente il corso del ciclo di vita. A02p1/S04p1. Cool roofs 37 del 14/11/08

38 Inconvenienti dei tetti freddi 1. Eccessivo raffreddamento? 2. Tegole fredde per zone vincolate 3. Modificazione del microclima urbano 4. Problemi di abbagliamento e di radiazione riflessa A02p1/S04p1. Cool roofs del 14/11/08 38