Trasmittanza dell intercapedine di gas

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1 Trasmittanza dell intercapedine di gas Trasmissione del Calore - 64 La trasmittanza dell intercapedine dipende, come detto in precedenza, dal fenomeno combinato di scambio termico convettivo e radiativo fra le superfici dei vetri poste a contatto con il gas di riempimento. Lo scambio termico per irraggiamento a sua volta dipende dalle emissività di tali superfici. Poiché lo scopo del doppio vetro è quello di ridurre le dispersioni di calore verso l esterno, dovremo assicuraci che l intercapedine di gas non sia troppo spessa, altrimenti potrebbero innescarsi dei fenomeni convettivi eccessivi (l intercapedine non deve superare i 13 mm.). Oltre a ciò per ridurre lo scambio termico per Irraggiamento è essenziale che almeno una delle due superfici vetrate sia a bassa emissività; ciò permette di ridurre la trasmittanza dell intercapedine anche del 50%. A tal proposito l emissività del vetro nell infrarosso è di circa 0,84; inserendo una pellicola con emissività pari a 0,1, su uno solo dei due vetri, si ottiene una emissività equivalente dell intercapedine di 0,098. Si scende ad un valore di 0,05 di emissività equivalente qualora ambedue i vetri siano rivestiti con pellicola a bassa emissività. rad ( 3 2 ) Q = ε g σ A T T W ε g = 1 1 ε + 1 ε 1 2 3

2 Trasmittanza del bordo-vetro Trasmissione del Calore - 65 La trasmittanza di questa porzione della superficie vetrata che, per convenzione, interessa una striscia perimetrale di 65 mm. di larghezza, dipende da: tipo di vetro (singolo, o doppio), nel vetro singolo viene assunta pari a quella del centro vetro sistema di fissaggio del vetro all infisso. Di norma il dato numerico dovrebbe essere fornito dal costruttore della finestra, ma non sempre è possibile reperire tale informazione nella letteratura tecnica; per superare tale problema un valore di tentativo di K b.v. può essere trovato mediante la correlazione di Arasteh (1989). K = A + B K + C K 2 bv.. cv.. cv.. I valori dei parametri A, B e C dipendono dal tipo di materiale utilizzato per tenere separati i vetri. Distanziatori A B C Metallo 1,266 0,842-0,027 Isolante (legno) 0,681 0,682 0,043 Vetro 0,897 0,774 0,010 Metallo+isolante 0,769 0,706 0,033

3 Trasmittanza dell infisso Trasmissione del Calore - 66 Il valore della trasmittanza della struttura dell infisso, K inf, dipende sia dal tipo di materiale con cui è fatta la struttura della finestra che dal materiale della giunzione di contatto fra la parte mobile della finestra e la parte fissa del telaio. Nella tabella sottostante sono riportati alcuni valori tipici di trasmittanza di infisso per finestre apribili. Nel caso di finestre fisse è possibile assumere un valore di trasmittanza di circa il 10-15% inferiore. Materiale infisso Materiale distanziatore Vetro singolo(*) (W/m 2 K) Vetro doppio(*) (W/m 2 K) Alluminio Qualunque 13,51 12,89 Alluminio con barriera termica Metallo Isolante 6,81 5,22 5,00 Legno/Vinile Metallo Isolante 3,12 2,90 2,78 Fibra di vetro/vinile Metallo Isolante 2,10 1,87 1,82 (*) Per vetro singolo si assume uno spessore di 3 mm.; per vetro doppio si assume uno spessore totale di 19 mm. (3-13-3).

4 Composizione del vetro Trasmissione del Calore - 67 Nel caso più generale un vetro è formato da: un vetrificante (in genere Silice sotto forma di sabbia) un fondente (Soda o Potassa sotto forma di Solfato o Carbonato) che ha lo scopo di ridurre il punto di fusione del miscuglio uno stabilizzante (Calce sotto forma di Carbonato) al fine di fornire una maggiore resistenza all attacco dell acqua. Attualmente la composizione di un vetro standard, prodotto mediante procedimento Float- Glass, è la seguente: Silice SiO 2 72% Allumina 1,5% Calce CaO 10% Magnesia MgO 3% Soda Na 2 O 13,5% Il procedimento Float-Glass, introdotto nel 1959, e portato in produzione dalla Saint Gobain nel 1965, consiste nella laminazione dell amalgama fuso che viene fatto stabilizzare su bagno di stagno fuso, in atmosfera inerte.

5 Colori del vetro Trasmissione del Calore - 68 Normalmente la colorazione di un vetro viene ottenuta mediante la dispersione di ossidi metallici o di polveri metalliche nell amalgama fuso. Il colore che assume il vetro è fortemente dipendente dal tipo di materiale che è stato utilizzato per il rivestimento. Colorante Ossido di Ferro Ossido di Rame Ossido di Cobalto Oro e Stagno Selenio e Cadmio Cobalto+Ferro+Selenio Cobalto+Ferro+Selenio+Cromo Colore Blu-Verde Rosso-Viola Blu intenso Dal Rosa al Porpora Dal Rosso al Giallo Arancio Bronzo Grigio I cristalli atermici presentano in genere una colorazione Bronzo o Grigio che fornisce a questo tipo di vetro una forte selettività; infatti esso assorbe una porzione consistente dell energia solare per poi restituirla, preferenzialmente, verso l ambiente esterno. La peculiarità di avere un alto coefficiente di assorbimento all energia solare richiede una particolare cautela durante la messa in opera, al fine di evitare rotture per dilatazione termica.

6 Classificazione dei vetri (1) Trasmissione del Calore - 69 Poiché i campi di applicazione delle superfici vetrate sono molteplici la classificazione, riportata in seguito, è del tutto qualitativa e coinvolge solo quelle tipologie di vetro maggiormente utilizzate in edilizia. Vetri a Controllo Solare hanno lo scopo di limitare l ingresso di energia solare nell ambiente interno, tutti i vetri colorati raggiungono questo scopo a scapito di un riscaldamento del vetro stesso per assorbimento di energia solare incidente: sono i vetri atermici. Vetri Riflettenti diversamente la loro peculiarità è quella di avere un elevato coefficiente di riflessione alla radiazione solare. In genere solo una faccia del vetro viene rivestita di ossidi metallici riflettenti che forniscono al vetro un coefficiente di riflessione, nel visibile, fino a circa 0,35. Tali vetri vengono di norma impiegati in facciate vetrate esposte a forte insolazione, al fine di ridurre la potenza refrigerante necessaria all impianto di condizionamento. Vetri Isolanti Da soli i vetri riflettenti non assolvono al compito di impedire la fuoriuscita del calore durante la stagione invernale. Per far ciò si suole utilizzare una struttura a vetro doppio (pannelli vetrocamera) con intercapedine di gas. In questo modo la superficie vetrata riesce ad essere più flessibile in quanto i due vetri possono essere scelti con caratteristiche diverse fra loro. Ad esempio è possibile applicare verso l esterno un vetro riflettente mentre, il vetro più interno potrebbe avere una superficie a bassa emissività nell infrarosso. In questo modo il sistema andrebbe a soddisfare sia la riduzione di apporto di energia solare estiva che la riduzione di fuga di calore verso l esterno durante l inverno. Questa tipologia di superficie vetrata, oggi molto usata, richiede però una corretta posa in opera oltre che dei serramenti a bassa conducibilità termica.

7 Classificazione dei vetri (2) Trasmissione del Calore - 70 Vetri Cromogenici si tratta di materiali le cui proprietà ottiche variano in funzione di un impulso esterno. Si parla di vetri: Fotocromici se la natura dell impulso dipende dalla Luce Solare Termocromici de la colorazione cambia al variare della Temperatura Elettrocromici se le proprietà ottiche dipendono da un Impulso Elettrico. Particolarmente questi ultimi sembrano mostrare buone possibilità di sviluppo futuro; allo stato attuale i vetri Elettrocromici vengono realizzati mediante il deposito di 5 strati successivi di ossidi su di un cristallo trasparente. Il primo e l ultimo strato sono dei film conduttivi ai quali viene applicata una differenza di potenziale elettrico (1 o 2 volts). In mezzo a tali films sono depositati: uno strato di ossido di tungsteno (che funge da elemento elettrocromico), uno strato elettrolitico ed uno strato che funge da accumulo di ioni. Proprio da quest ultimo, sotto l azione di una differenza di potenziale elettrico, gli ioni migrano verso lo strato elettrocromico; ciò modifica il colore di tale strato, in presenza di luce. Per far rivirare la pellicola termocromica verso il trasparente occorre invertire la polarità del generatore di tensione.

8 Trasmissione del Calore - 71 Alcuni valori tipici di cristalli singoli, trasparenti e colorati

9 Trasmissione del Calore - 72 Alcuni valori tipici di cristalli riflettenti e basso emissivi dotati di intercapedine

10 Trasmissione del Calore - 73 Momenti storici salienti nello sviluppo del vetro 5000 AC - I fenici scoprono, accidentalmente, il vetro dalla fusione di blocchi di nitrato su supporto sabbioso (fiume Belo in Siria) 3000 AC In Mesopotamia viene prodotta la Vetrina (sostanza opaca e colorata) con cui si rivestono gli oggetti (Invetriatura) 100 AC In Palestina inizia la Lavorazione del vetro per Soffiatura 100 AC I Romani iniziano a produrre le prime superfici vetrate curve (Terme di Agrippina) 500 DC Inizio del processo di Soffiaggio di sfera per vetro piano 900 DC Nascita delle vetrerie di Venezia 1200 DC Inizio del processo di Soffiaggio di cilindri (vetro piano) 1291 DC Decreto del Maggior Consiglio Trasferimento a Murano dei forni 1665 DC Nascita della Saint Gobain e del processo del vetro colorato 1913 DC Introduzione del processo Fourcault (Vetro Tritato) 1920 DC Nascita della produzione per Laminazione (Saint Gobain) 1965 DC Inizio della produzione mediante sistema Float Glass (Pisa)

11 Formule e dati utili Trasmissione del Calore - 74 Densità: 2500 kg/m 3 Modulo di Young (E): N/mm 2 Coefficiente di Poisson (δ): 0.22 Calore specifico: 795 J/(kg K) Coeff. di Dilat. termica (α): K -1 σ amm : 16 N/mm 2 Indice di rifrazione (n): 1.52 Calcolo delle tensioni generate in una lastra di vetro a causa di un gradiente termico ( T) applicato lungo la lastra E α T σ = < σ 2 (1 δ ) amm E L σ = < σ L L = α T L amm σ = E α T < σ amm

12 Angolo di inclinazione del sole Nomenclatura β: Angolo di Zenith Φ: Angolo di Azimuth Σ: Inclinazione della superficie ψ: Azimuth della normale alla superficie θ: Angolo fra il sole e la normale alla sup. n: Giorno dell anno L: Latitudine δ: Declinazione solare H: Tempo solare apparente (gradi angolo orario) AST: Tempo solare apparente (ore decimali) Trasmissione del Calore - 75 γ = φ ψ ( n ) δ = sen 360 (284 + ) / 365 sen β = cosl cosδ cosh + sen L senδ cos φ = ( sen L sen β senδ) / cos β cos L ( ) cosθ = cos β cos γ senσ+ sen β cos Σ Orientazione N NE E SE S SW W NW Azimuth(ψ)

13 Calcolo del tempo solare apparente Trasmissione del Calore - 76 H: Tempo solare apparente (gradi angolo) AST: Tempo solare apparente (ore decimali) LST: Tempo solare locale (ore decimali) ET: Equazione del tempo (minuti decimali) LSM: Meridiano locale di fuso orario, a partire da Greenwich (ogni 15 ) LON: Longitudine locale (gradi decimali) AST = LST + ET /60 + ( LSM LON )/15 H = 15 ( AST 12) Località Latitudine Longitudine ANCONA N E PESCARA N E MESE ET (min) Gennaio Febbraio Marzo -7.5 Aprile +1.1 Maggio +3.3 Giugno -1.4 Luglio -6.2 Agosto -2.4 Settembre +7.5 Ottobre Novembre Dicembre +1.6

14 Sistemi solari passivi Trasmissione del Calore - 77 Alle nostre latitudini il sole, durante la stagione di riscaldamento, fornisce un irradianza media di circa 100 W/m 2, su di un piano orizzontale; se tale potenza radiante venisse utilizzata per il riscaldamento, almeno 1 kwh/m 2 di energia termica giornaliera potrebbe essere utilizzata dall edificio come risorsa gratuita. L edificio può captare l energia solare mediante due diverse modalità: lasciando passare la radiazione solare al suo interno, mediante una superficie vetrata (Sistema Solare Passivo Diretto) utilizzando il riscaldamento di una superficie opaca interposta fra la radiazione solare e l ambiente interno (Sistema Solare Passivo Indiretto) Il termine Passivo sta ad indicare che l apporto solare viene utilizzato senza l aiuto di sistemi ausiliari di ventilazione, o più in generale senza l intervento di fluidi termovettori mossi artificialmente; in caso contrario il sistema viene chiamato Ibrido. Poiché l edificio dovrà operare anche durante il periodo estivo è opportuno che i sistemi di captazione dell energia solare siano dotati di una buona flessibilità funzionale, così da non fungere da carichi termici indesiderati, durante il periodo estivo. Ogni sistema solare passivo è composto da 3 elementi fondamentali: 1. Lo spazio da riscaldare, costituito dall ambiente dell edificio abitato 2. Il Collettore della radiazione solare, ossia una superficie trasparente e da una superficie opaca che funge da Assorbitore 3. Un sistema di accumulo del calore, formato da elementi ad elevata inerzia termica, gli stessi pavimenti, o le pareti verticali, se adeuatamente progettate possono svolgere tale funzione.

15 Serre Aggiunte Trasmissione del Calore - 78 La serra aggiunta, o addossata, è una combinazione di sistemi a guadagno diretto ed indiretto. Normalmente la superficie vetrata che funge da serra viene posta sulla facciata Sud dell edificio e la radiazione solare che la attraversa va a colpire una superficie di accumulo ad alta inerzia termica; quest ultima, scaldandosi, reirraggia calore verso l interno. La parete che funge da accumulo non necessariamente deve essere in muratura, in casi particolari è possibile realizzare una parete con intercapedine riempita di acqua, ciò consente una maggiore capacità di accumulo termico. L ambiente della serra mostra una forte escursione termica giornaliera in quanto, non avendo superfici che schermano la luce solare e non essendo dotata di aperture di ventilazione, vengono raggiunte temperature elevate durante il giorno e basse di notte, rendendo così non agevole l utilizzo per attività domestiche. Qualora si voglia utilizzare anche lo spazio della serra come superfici abitabile è necessario che vengano realizzate delle aperture sulla parete di accumulo, in basso ed in alto, in modo da favorire uno scambio fra l aria presente all interno della serra e quella della casa. Oltre a tale precauzione è importante che la superficie vetrata della serra sia costituita da doppi vetri, così da diminuire la trasmittanza della superficie e mantenere il calore durante la notte, allo stesso modo è però indispensabile predisporre delle coperture flessibili riflettenti, per il periodo estivo, e delle aperture di ventilazione sulla superficie vetrata. Per un corretto dimensionamento della superficie vetrata della serra è possibile assumere un valore di circa 0,9 m 2 per ogni m 2 di superficie abitata.

16 Muro di Trombe Il muro di Trombe prende il nome del suo progettista che nel 1967, ad Odeille in Francia, realizzò una casa che riusciva ad ottenere il 70% del suo fabbisogno termico dall energia solare. Il sistema è a guadagno indiretto e la parete di vetro è posta a circa cm. dalla superficie di muratura, che funge da accumulo. Quest ultima viene dipinta con colori scuri così da accumulare più calore possibile. Come nelle serre aggiunte è possibile far operare il sistema solare passivo anche per circolazione naturale di aria, mediante l inserimento di feritoie sulla parte inferiore e superiore della parete di accumulo. Trasmissione del Calore - 79 Benché molto efficiente il muro di Trombe deve essere opportunamente modificato per operare in estate, proprio per questo vengono predisposte delle aperture regolabili anche sulla superficie vetrata. Per un dimensionamento di massima è possibile adottare un valore di circa 0,6 m 2 di superficie vetrata per ogni m 2 di superficie abitata. Per quanto riguarda invece la superficie da dedicare alle aperture di ventilazione, interne e/o esterne, è possibile adottare un valore di circa 1/100 della superficie vetrata.

17 Collettore di aria calda Il sistema a collettore di aria calda è, probabilmente, uno dei sistemi solari passivi più difficili da realizzare. Esso richiede la presenza di una superficie vetrata inclinata, posta sulla base della parete; la radiazione solare che attraversa tale parete va a scaldare l aria contenuta in una intercapedine sottostante il pavimento della casa stessa. L aria, così riscaldata, viene fatta diffondere attraverso un letto di ghiaia grossa che ne assorbe il calore; è proprio la ghiaia che funge da elemento di accumulo termico. Se sul pavimento della casa vengono realizzate delle aperture sarà possibile innescare una circolazione di aria calda durante la notte, a bocchette chiuse l intercapedine entra in accumulo ed il pavimento contribuisce solo per irraggiamento al riscaldamento interno dell ambiente. In alcuni casi la circolazione a bocchette aperte può essere favorita mediante l inserimento di una ventilatore che aumenti la portata di aria calda proveniente dall area di accumulo; se possibile è però meglio evitare sistemi di ventilazione artificiale in quanto richiedono un consumo di energia elettrica e, quindi, rendono meno efficiente il sistema, da un punto di vista energetico. Trasmissione del Calore - 80

18 Metodo di Liu-Jordan Trasmissione del Calore - 81 Il metodo di Liu-Jordan si applica per il calcolo della radiazione totale incidente su di un piano inclinato; esso viene utilizzato quando per il sito oggetto di studio sono disponibili i dati di radiazione solo su di un piano orizzontale. Poiché la Radiazione totale è formata dalla somma delle componenti: diretta (I), diffusa (D) e riflessa(r) il contributo di ognuna di esse dipende da diversi fattori, geometrici e non, che sono correlati secondo le formule seguenti. 360 n π 24 GO = ,033 cos cos( L) cos( δ) sen( ωs) + ωs sen( L) sen( δ) π ( 1, 39 4, 027 5, ,108 3) D = G K + K K OR OR t t t π A = ωs ' sen( δ) sen( L Σ ) + sen( ωs ') cos( δ) cos( L Σ) 180 B = π ωs sen( δ) sen( L) + sen( ωs) cos( δ) cos( L) cos( Σ) 1 cos( Σ) G = I + D + R = Rb IOR + DOR + GOR ρg 2 2 ωs = arccos( tg ( δ ) tg ( L)) ω ' = min( ω ; ω Σ) s s s IOR = GOR DOR A Rb = B G K t = G G O = Radiazione totale su piano orizzontale fuori dall atmosfera (Wh/m 2 ) G OR =Radiazione totale su piano orizzontale sulla terra (Wh/m 2 ) I OR = Componente diretta della Radiazione totale su piano orizzontale D OR = Componente diffusa della Radiazione totale su piano orizzontale n = numero di giorni dell anno L = Latitudine ( ) δ = Declinazione ( ) Σ = Inclinazione della superficie dal piano orizzontale ( ) ρ g = Albedo del terreno OR O