Il comportamento energetico di involucri in laterizio faccia a vista

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1 Il comportamento energetico di involucri in laterizio faccia a vista DI C. Monticelli Politecnico di Milano, Dipartimento BEST Viene presentato un sintetico repertorio di soluzioni d involucro in laterizio con rivestimento esterno in mattoni faccia a vista, caratterizzate da prestazioni termiche conformi ai valori limite imposti dal D.Lgs. 311/06 per la soglia temporale del 2010, in zona F. In merito sono state condotte valutazioni in regime stazionario e dinamico periodico, utilizzando i parametri termici di prodotti dotati di marcatura CE, determinando per ogni stratigrafia esaminata la resistenza termica e i fattori di attenuazione e sfasamento, fondamentali ai fini del comfort ambientale. Il mattone faccia a vista riveste un ruolo di rilevanza nel progetto di architettura contemporaneo. Si tratta di un antica tradizione investita da una intensa evoluzione tecnica e tipologica: sono aumentati i prodotti, la gamma di formati e colori; sono cambiate le tecniche produttive, di posa, di trattamento superficiale, al fine di migliorare le prestazioni complessive e la durabilità degli elementi. Alle soluzioni tecniche tipiche, messe in opera a umido, si affiancano oggi quelle evolute con le tavelle in cotto, assemblate a secco su montanti metallici a formare una facciata ventilata. L ampia gamma di soluzioni possibili è chiamata a soddisfare numerosi requisiti normativi, tra i quali oggi riveste un ruolo assai significativo l isolamento termico. A seguito dell entrata in vigore dei D.Lgs. 192/05 e 311/06, concernenti il recepimento della Direttiva europea sul tema del risparmio energetico e del contenimento delle dispersioni termiche, si affacciano sul mercato sistemi di involucro caratterizzati da valori di resistenza termica molto performanti, ottenuti grazie all impiego di elevati spessori di materiali isolanti; al contempo, le soluzioni di involucro che impiegano componenti massivi, per essere termicamente conformi alla normativa specifica devono proporsi con spessori maggiori rispetto al passato, con una serie di ricadute sulla progettazione esecutiva e sulla fase di messa in opera. Occorre, tuttavia, osservare come le soluzioni leggere iperisolate, pur consentendo ottime prestazioni in termini di isolamento termico, presentino non pochi problemi nel garantire un adeguato comfort interno negli edifici, soprattutto quando sono calate nelle aree geografiche mediterranee, caratterizzate da lunghi periodi estivi con elevato soleggiamento Il ricorso a soluzioni d involucro dotate di massa consistente permette di raggiungere, comunque, idonei valori di trasmittanza, riducendo i consumi energetici per la climatizzazione, ma con un valore aggiunto: il comfort termico degli ambienti abitati, grazie alla massa volumica dei materiali, è in grado di svolgere una vera e propria funzione di regolatore delle oscillazioni di temperatura tra esterno e interno nell arco della giornata. La capacità dei materiali di un involucro di trattenere il calore e di rilasciarlo gradualmente nel tempo l inerzia termica presenta vantaggi non solo legati al comfort interno, ma anche alla riduzione dei consumi energetici. Uno dei modi più efficaci per il controllo della climatizzazione degli spazi interni agli edifici, sia in estate che in inverno, è proprio lo sfruttamento di questa proprietà dei componenti edilizi: in estate, il calore accumulato dall involucro viene rilasciato gradualmente all interno degli ambienti con un periodo di ritardo, attenuando e rimandando quindi il picco di calore, riducendo così la necessità di raffrescamento; in inverno, il calore accumulato durante il giorno viene restituito agli ambienti nel tardo pomeriggio e durante la sera, quando è necessario. Gli effetti positivi dell inerzia termica sono, peraltro, quantificabili attraverso il parametro sfasamento (che esprime il periodo di tempo necessario affinché il calore attraversi la parete e passi dall altro lato, nell ambiente interno dell edificio) e il fattore di decremento o attenuazione (un valore adimensionale dato dal rapporto fra il flusso massimo della parete capacitiva e il flusso massimo della parete a massa termica nulla). Affrontare un progetto con piena coscienza delle problematiche energetiche, significa, dunque, anche acquisire consapevolezza sul ruolo della massa termica. Sulla base di tali considerazioni, appare opportuno proporre, nel seguito, un breve (e per questo non esaustivo) repertorio di soluzioni d involucro costituite da materiali correntemente impiegati nel nostro Paese. In particolare, si analizzano alcune possibili stratificazioni per la costruzione di murature in laterizio con il rivestimento esterno realizzato in mattoni faccia a vista, conformi ai valori limite imposti dal D.Lgs. 311/06 per la soglia temporale del 2010, in zona F. LE SOLUZIONI COSTRUTTIVE FACCIA A VISTA La rassegna proposta di soluzioni tecniche in laterizio con rivestimento in mattoni faccia a vista è il risultato di una apposita indagine, in cui si è cercato di definire le stratigrafie di involucro più rappresentative tra quelle attualmente diffuse in Italia. 177

2 Le otto soluzioni tecniche illustrate nelle schede seguenti individuano quattro tipologie di stratificazione: doppio strato con isolante in intercapedine e rivestimento esterno di mattoni faccia a vista (stratificazioni da 1 a 4); lo spessore dello strato murario interno è in blocchi di laterizio da 20 o 25 cm di spessore; doppio strato con isolante, camera d aria in intercapedine e rivestimento esterno faccia a vista (stratificazioni da 5 a 6); lo spessore dello strato murario interno è di 25 cm; monostrato con rivestimento in listelli faccia a vista, senza materiale isolante (stratificazione 7); lo strato murario interno è di 45 cm; monostrato con rivestimento a cappotto e listelli in laterizio (stratificazione 8); la muratura in blocchi di laterizio si presenta con uno spessore di 30 cm. La peculiarità delle soluzioni si individua nei diversi laterizi scelti per il rivestimento esterno: nelle stratificazioni 1 e 5 il rivestimento esterno è il mattone pieno tradizionale, prodotto con la tecnica del pasta molle, formato 12 x 25 x 5,5 cm; le stratificazioni 2 e 6 prevedono il mattone semipieno, formato 12 x 25 x 5,5 cm, estruso con il 35% di foratura; la stratificazione 3 ha come rivestimento un listello di cotto, formato 6 x 25 x 5,5 cm; le stratificazioni 4 e 7 presentano un listello in laterizio, formato 3,3 x 25 x 5,5 cm, ottenuto da un mattone estruso spaccato a metà; nella stratificazione 8 il rivestimento è di recente concezione: un listello a colla, formato 1 x 25 x 5,5 cm, riconducibile alla famiglia dei faccia a vista, più Tab. I - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura a doppio strato con isolante in intercapedine e mattoni pieni faccia a vista. Tab. II - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura a doppio strato con isolante in intercapedine e mattoni estrusi faccia a vista. 178

3 propriamente una piastrella di laterizio incollata con malta cementizia sullo strato di isolante del rivestimento a cappotto. Per la costruzione delle stratificazioni, sia per quanto riguarda i mattoni faccia a vista, sia per i blocchi in laterizio, si è fatto riferimento a prodotti, presenti sul mercato, dotati di marcatura CE, per i quali fossero disponibili le informazioni relative alle specifiche caratteristiche termiche. Nel caso dell elemento di laterizio forato da 8 cm, si è fatto riferimento a dati tabellari tratti dalla norma UNI (1994). I dati di permeabilità al vapore per ogni strato delle murature prese in considerazione, riportati nelle tabelle a seguire, fanno riferimento a valori tabulati indicati nella norma UNI (1994). Il calore specifico dei materiali, grandezza correlata alla loro capacità termica, dato necessario per il calcolo dei valori di sfasamento e attenuazione dell onda termica nella parete, è stato desunto dalla letteratura scientifica. Le caratteristiche termiche delle diverse soluzioni costruttive sono state calcolate considerando uno strato di materiale isolante con conducibilità termica λ di 0,03 W/mK e densità 45 kg/m 3. Relativamente alle stratificazioni 5 e 6, con intercapedine d aria tra l isolamento e il paramento murario esterno, si è considerata l intercapedine come non ventilata; per questa si è assunto il valore di resistenza termica con riferimento alla tabella del prospetto 2 della norma Tab. III - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura a doppio strato con isolante in intercapedine e listelli faccia a vista da 6 cm. Tab. IV - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura a doppio strato con isolante in intercapedine e listelli faccia a vista da 3,3 cm. 179

4 UNI EN ISO Vale comunque la pena precisare che il valore di resistenza termica dell aria da assumere per l intercapedine, se fosse ventilata, non inciderebbe in modo sostanziale sui risultati dei valori termici. LA VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI TERMICHE Innanzitutto, è stato calcolato il valore di trasmittanza termica delle chiusure verticali campionate, al fine di individuarne la rispondenza ai valori limite imposti dal D.Lgs. 311/06, per la soglia temporale del 2010, fino alla zona F, secondo la procedura indicata dalla norma UNI EN ISO 6946 (2007) Resistenza termica e trasmittanza termica. Metodo di calcolo. In regime stazionario, è stata verificata anche la temperatura superficiale interna alla muratura, per controlla- re la formazione di umidità sulle superfici e la condensazione interstiziale mediante la verifica di Glaser. In secondo luogo, si è proceduto a verificare il comportamento termico delle stratificazioni per quanto riguarda sfasamento e attenuazione, adottando la procedura di calcolo riportata nella norma UNI EN ISO (2001) Prestazione termica dei componenti per edilizia. Caratteristiche termiche dinamiche. Metodo di calcolo, relativa alla trasmissione del calore attraverso i componenti edilizi in regime dinamico periodico e sinusoidale, considerando le escursioni termiche durante un periodo di tempo stabilito. I valori termici dinamici, così determinati, fanno chiaramente emergere il ruolo della massa nelle prestazioni energetiche delle murature. Tab. V - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura a doppio strato con isolante e camera d aria in intercapedine e mattoni pieni faccia a vista. Tab. VI - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura a doppio strato con isolante e camera d aria in intercapedine e mattoni estrusi faccia a vista. 180

5 LE CONDIZIONI AL CONTORNO I valori relativi alle grandezze termo-fisiche dei blocchi in laterizio, indicati nelle esemplificazioni, sono quelli dichiarati dai produttori nelle certificazioni UNI EN 1745 o nei cartigli CE (la marcatura CE dei prodotti in laterizio prevede che la prestazione del blocco sia espressa come resistenza termica R o come conducibilità termica equivalente λ eq, funzione dello spessore dell elemento). I valori di resistenza indicati nelle tabelle di ogni stratificazione sono stati costruiti a partire dai valori riportati nei cartigli CE dei prodotti (quindi dal valore di λ eq o di R dell'elemento) e sono stati corretti considerando il contributo dei giunti in malta sulle prestazioni termiche dello strato complessivo. Infatti, la resistenza termica della muratura, seppur composta da elementi con le medesime prestazioni di resistenza termica, varia in relazione al ti- po di giunto (che può essere realizzato con malta cementizia, con malta isolante, solo orizzontale se il blocco è a incastro), oppure può essere considerata trascurabile se gli elementi stessi sono rettificati. La malta ha una conducibilità termica maggiore rispetto ai prodotti in laterizio e quindi la prestazione di isolamento della muratura può ridursi anche del 10% rispetto alla resistenza termica di una soluzione senza la presenza dei giunti in malta. Con riferimento alle tabelle riportate a corredo della presente nota, nella sezione relativa alle informazioni tecniche specifiche dei prodotti, sono indicate le caratteristiche relative alla specifica prestazione termica. La lettera P contrassegna blocchi portanti, con una percentuale di foratura compresa tra 45 e 55% e spessore minimo di 25 cm; le lettere GV stanno per giunto verticale, semplice o, in due casi, a incastro. Tab. VII - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura monostrato con rivestimento a listelli faccia a vista da 3,3 cm. Tab. VIII - Descrizione delle caratteristiche fisico-tecniche dei materiali e dei valori termici di progetto per una muratura monostrato con rivestimento a cappotto e listelli a colla da 1 cm in laterizio. 181

6 Si evidenzia che il valore di conducibilità termica degli strati in blocchi di laterizio è quello della muratura ed è comprensivo del contributo dei giunti. Il valore della massa superficiale, riportato tra i risultati delle valutazioni, comprende naturalmente anche il peso dei giunti di malta. Si fornisce anche il valore di massa superficiale della singola stratificazione con l esclusione degli intonaci, come richiesto dal D.Lgs. n. 311/06. Le valutazioni sono state condotte con valori di conducibilità termica equivalente degli elementi in condizioni a secco; pertanto i risultati non considerano un eventuale ruolo dell umidità. Tutte le specifiche tecniche relative agli strati superficiali interni, ai coefficienti liminari (interno ed esterno) sono stati mantenuti costanti. In una specifica sezione (in alto a destra) delle schede, si riportano le fasce climatiche in cui tali soluzioni costruttive sono consentite dalla normativa cogente. CONSIDERAZIONI Dalle valutazioni condotte sulle prestazioni termiche delle soluzioni prese in esame, possono essere tratte alcune considerazioni di larga massima, con una premessa sui risultati ottenuti: questi sono strettamente legati alle stratificazioni indicate e alla scelta di specifici elementi in laterizio. Gli stessi valori termici possono essere ottenuti anche con altri spessori dei prodotti, oppure si possono avere risultati differenti da quelli qui riportati, seppur con le stesse dimensioni, qualora si utilizzino prodotti con prestazioni termiche differenti, modalità e materiali per la posa in opera diversi. Come si è detto, ogni prodotto può variare la propria prestazione di resistenza termica in relazione a numerose variabili: densità e conducibilità termica dell impasto in argilla, percentuale di foratura, geometria dei fori; le murature, inoltre, possono differire per tipo di giunto (normale, a incastro, rettificato) e tipo di malta usato per i giunti (normale o isolante). Fig. 1 - Quadro sintetico dei risultati sulle caratteristiche tecniche e le prestazioni termiche di diverse soluzioni di involucro in elementi di laterizio e rivestimento esterno faccia a vista. 182

7 I valori di trasmittanza termica delle stratificazioni analizzate variano in un intervallo tra 0,28 e 0,32 W/m 2 K. Per raggiungere valori performanti di trasmittanza, rispondenti ai requisiti normativi per la soglia temporale 2010, fino a soddisfare il valore termico per la zona climatica F, le stratificazioni in laterizio si presentano con buoni spessori e uno strato integrativo di isolamento. È possibile ottenere valori di trasmittanza bassi anche senza lo strato di isolamento, passando alle soluzioni in laterizio con maggiori spessori tra le stratificazioni campionate. La soluzione monostrato 7, l unica senza strato isolante, ha una buona prestazione termica, pressoché identica a quella della soluzione 3 (muratura a doppio strato con isolante interposto); tuttavia, lo spessore della prima è di 52,3 cm, rispetto ai 40 cm della seconda. I valori termici delle stratificazioni si attengono ai limiti di trasmittanza imposti dalla normativa e consentono di poter impiegare tutte le stratificazioni esaminate anche in località situate in zona climatica F, quella con il valore limite più restrittivo. Interessante appare il confronto tra le diverse soluzioni, all interno delle quali l unica variabile significativa è la percentuale di foratura degli elementi (1 con 2; 5 con 6). Queste tipologie sono state esaminate con l obiettivo di capire quale fosse l incidenza sulle prestazioni termiche dell impiego del mattone estruso faccia a vista con una percentuale di foratura del 35%. Nelle soluzioni con mattone forato si può osservare un incremento della prestazione di isolamento intorno al 3% e un leggero miglioramento dei valori di attenuazione e di sfasamento. Complessivamente, tutte le soluzioni presentano valori di massa superficiale superiori ai 230 kg/m 2, limite indicato nel D. Lgs. 311/06 con lo scopo di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di garantire un maggior comfort termico. I valori per le soluzioni proposte sono compresi in un intervallo fra 330 e 440 kg/m 2. Si può osservare, in particolare, come a fronte dell aumento della massa superficiale corrisponda sempre un aumento dello sfasamento e una riduzione dell attenuazione. Le stratificazioni 3 e 8 hanno pressoché lo stesso spessore, il minore fra quelli delle soluzioni proposte. Tuttavia, la stratificazione 3 è la più leggera, anche rispetto alla 8, che presenta una massa superficiale più consistente dettata dalla scelta di un blocco con densità maggiore. Da un ulteriore confronto fra le due, la stratigrafia 3 ha una trasmittanza meno performante e capacità termica maggiore rispetto alla 8; la sua leggerezza penalizza anche i valori termici dinamici con sfasamento minore e valore di attenuazione maggiore:quindi a parità di spessore la soluzione 8 è più performante. La verifica di Glaser è positiva per tutte le murature valutate: quindi non vi è il rischio di formazione di condensa interstiziale. Va comunque evidenziato che, in quasi tutti i casi, tra lo strato di isolante e l intonaco, le due curve di pressione di vapore si avvicinano molto, per cui si rende necessaria una particolare attenzione nella ese- cuzione della muratura, per evitare cadute prestazionali che potrebbero portare alla formazione di condensa, rispetto alle previsioni progettuali. L ordine degli strati nella sezione muraria, in regime stazionario, non altera il comportamento termico, avendo significato solo per quanto riguarda la possibilità di formazione di condensa. Gli effetti sul comportamento dinamico possono invece essere rilevanti. È importante comprendere la corretta distribuzione degli strati, in particolare la posizione degli strati massivi, e valutare il comportamento combinato di questi con gli isolanti termici. La posizione dello strato isolante influisce sul comportamento in regime dinamico, soprattutto sul fattore di attenuazione, mentre ha poca influenza sul ritardo temporale. Dalla considerazione della variabile tempo, emergono altri spunti di riflessione: pareti con trasmittanza termica uguale hanno un comportamento identico dal punto di vista della riduzione della dispersione di calore verso l esterno, ma presentano un comportamento molto differente dal punto di vista della conservazione del calore accumulato. Tutte le soluzioni sono caratterizzate da fattori di attenuazione e sfasamenti interessanti. Non esistono, in realtà, prescrizioni normative di valori di attenuazione e sfasamento conformi; possibili valori di riferimento possono essere tratti dal Protocollo Itaca (al punto 1.8, Inerzia termica), in cui è consigliato un valore di sfasamento minimo di 8 ore e non superiore a 16 e un fattore di attenuazione di 0,40, per ottenere un punteggio corrispondente alla sufficienza. Per la situazione estiva, in letteratura, si riscontra che valori prossimi alle 12 ore di sfasamento sono raccomandabili e performanti: gli ambienti interni vengono raggiunti dalla temperatura esterna più elevata solo durante la notte, con un ritardo di 12 ore, quando ormai la temperatura esterna si è abbassata verso valori minimi. Le soluzioni analizzate confermano che con un incremento del valore di sfasamento si ha una diminuzione del valore di attenuazione. Di particolare spicco sono i valori di attenuazione e sfasamento della soluzione monostrato non isolata (7), quella con massa superficiale maggiore: il valore di sfasamento è massimo e il fattore di attenuazione prossimo allo zero; avvicinarsi alle 20 ore di sfasamento può, tuttavia, risultare in certi casi poco efficace, poiché la parete non si è ancora scaricata del calore assorbito, nel momento in cui deve cominciare ad accumulare altra radiazione termica. È possibile considerare le stratificazioni 2 e 6 particolarmente interessanti dal punto di vista della prestazione energetica, nonostante vada ribadito come complessivamente non vi siano scostamenti eclatanti fra i valori termici ottenuti nelle differenti stratificazioni esaminate. Infatti, sia la 2 che la 6 hanno valori di trasmittanza identici (i più bassi tra quelli a confronto), il valore di sfasamento maggiore (escludendo quello della stratificazione 7, che si discosta da tutti) e, quindi, un fattore di attenuazione basso rispetto alle altre stratificazioni. L unica differenza significativa è lo scarto di 10 cm circa dello spessore tra le due stratificazioni. 183

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