Componenti per le strutture opache e trasparenti degli edifici

Transcript

1 Componenti per le strutture opache e trasparenti degli edifici prof. ing. Piercarlo Romagnoni Università IUAV di Venezia Dipartimento di Pianificazione e Progettazioni di Ambienti Complessi Dorsoduro, Venezia

2 Spesso si confonde l energia termica (calore) con la temperatura La temperatura indica lo stato di agitazione delle molecole di un corpo. L energia termica consente di aumentare (o diminuire) la temperatura di un corpo Caldo e freddo sono sensazioni!!!

3 Misura della temperatura Una scala di temperatura molto diffusa è quella Celsius o centigrada. In essa l astronomo svedese A. Celsius ( ) utilizzò le trasformazioni di stato dell acqua come riferimento. In corrispondenza alla fusione dell acqua alla pressione atmosferica (punto di fusione normale) assunse una temperatura pari a zero mentre in corrispondenza dell ebollizione (punto di ebollizione normale) assunse una temperatura pari a 100. L unità di misura è posta quindi pari a 1/100 dell intervallo di temperatura tra il punto di fusione e il punto di ebollizione dell acqua. Essa viene chiamata grado celsius, o centigrado, e indicata con [ C].

4 Un altra scala, molto utilizzata in ambiente anglosassone, è invece quella Fahreneit. Nella sua definizione, D. Fahreneiht ( ) scelse come riferimenti la temperatura di solidificazione di una miscela di acqua, ghiaccio e sale d ammonio (0 F) e la temperatura corporea di un individuo sano (96 F). Con tali assunzioni il punto di solidificazione normale dell acqua corrisponde a 32 F e il punto di ebollizione normale a 212 F.

5 temperatura B temperatura A F 32 C F 1,8 C 32 1,8

6 La temperatura assoluta: il Kelvin [lord Kelvin, W. Thomson ( )] La scala Kelvin è basata sul punto fisso: il Punto Triplo dell Acqua T T = 273,16 K (= 0,01 C) [K] = [ C] + 273,15 Ma: mentre DT [K] =DT[ C] DT[ C] = 5/9 DT[ F]

7 Una proprietà correlata La capacità termica di un sistema il rapporto tra la quantità di calore scambiato Q e la variazione di temperatura generatasi nel sistema. Essa si misura in J/K. C Q ( T f - Ti ) La capacità termica di una massa unitaria di sostanza è detta calore specifico, c, della sostanza e si misura in J/(kg K). Tra capacità termica, C, e calore specifico, c, essendo M la massa del sistema si ha: C = M c

8 Il calore specifico (unità di massa di alcune sostanze) Acqua liquido c = 4186 J/(kg K) Acqua ghiaccio c = 2000 J/(kg K) Acqua vapore c = 1875 J/(kg K) Aria c = 1005 J/(kg K) Calcestruzzo armato c = 960 J/(kg K) Laterizio c = 920 J/(kg K) Legno c = 1900 J/(kg K) Vetro c = 750 J/(kg K) Alluminio c = 270 J/(kg K) Rame c = 120 J/(kg K)

9 Il calore scambiato da una portata di fluido che subisce una variazione di temperatura: q m c ( i u ) V c ( i u ) i = temperatura di ingresso u = temperatura di uscita i c = calore specifico del fluido [J/(kg K)] = densità del fluido [kg/m 3 ] m V = portata di massa [kg/s] = portata volumetrica [m 3 /s] u

10 Il calore è definito come quella forma di energia che è trasferita attraverso i confini di un sistema ad una data temperatura ad un altro sistema (o verso l'esterno) ad una temperatura più bassa in virtù della sola differenza di temperatura tra i due sistemi est < int int

11 Processi di scambio termico Conduzione (trasferimento di energia delle molecole) Convezione (movimento di aria) Scambi termici per radiazione Scambi termici tra aria interna ed esterna

12 Isolare significa contrastare il flusso di calore: Conduzione il gas ha conducibilità bassa: aria 0,026 W/(m K), l alluminio sui 50 W/(m K) Convezione Scambio con gas e aria I gas nobili hanno bassa mobilità e limitano la convezione (es. nelle interfaccia dei vetri) e 1, T 1 Irraggiamento le superfici con bassa emissività scambiano poca energia e 1 >e 2 T 1 T 2

13 Scambio termico globale La potenza termica scambiata (W/m 2 ) è fornita come Q c = (Differenza di temperatura) x Trasmittanza (U) Q c = (Differenza di temperatura )/ Resistenza (R) U è la trasmittanza termica ed è calcolata in W/(m 2 K) (più piccola è meglio è): U = 1/ R R è il reciproco del dato precedente ed è chiamata resistenza termica (più grande è il valore meglio è) [(m 2 K) /W]

14 La parete opaca si caratterizza con le seguenti proprietà: La parete ha superficie A [m 2 ] La parete opaca spessori s [m]; conducibilità termiche l [W/(m K)]; conduttanze C [W/(m 2 K)]; densità [kg/m 3 ]; calore specifico c [J/(kg K)] la resistenza termica totale di scambio R tot è la somma delle resistenze termiche definite di seguito (UNI EN ISO 6946): R tot = R t + R' t + R si + R se R t = resistenza termica di strato omogeneo; R t = resistenza termica di strato non omogeneo; R s i = resistenza superficiale interna; R se = resistenza superficiale esterna.

15 R t = resistenza termica di uno strato omogeneo di spessore s [m] e conducibilità termica l [W/(m K)]: R t s m K [ l W l è ricavata da valori tabulati secondo UNI EN ISO ] R t = resistenza termica di uno strato non omogeneo di spessore s [m] e conduttanza termica C [W/(m 2 K)]: 1 R' t C 2 m K [ W ]

16 Resistenze superficiali [(m 2 K)/W] Direzione del flusso termico Ascendente Orizzontale Discendente R si 0,10 0,13 0,17 R se 0,04 0,04 0,04 Per pareti verticali, andranno utilizzate le resistenze riportate nella colonna centrale. Un flusso termico ascendente è considerato tale su soffitti disperdenti; un flusso termico è discendente sotto pavimenti disperdenti. E' considerato orizzontale anche un flusso termico inclinato fino a 30 sul piano orizzontale.

17 Flusso termico attraverso la parete: Per una serie di strati uno di seguito all altro: si sommano le resistenze Per strati in parallelo: si sommano i valori di U (pesati con la superficie) U 3 K 2 K 3 K 5 T out K 4 T in R =1/h R = 1/h 1 1 R 2 R U 4 U 3 =k 3 /D U 4 =k 4 /D U 34 =f 3 U 3 +f 4 U 4, Dove f 3 e f 4 sono frazioni pesate nelle superfici R 34 =1/U 34 R total = R 1 + R 2 + R 34 + R 5 + R 6 U totale = 1/R totale Source of figures: Sherman and Jump (1997, CRC Handbook of Energy Efficiency, CRC Press, Boca Raton)

18 Quindi Il flusso termico attraverso una finestra o una parete varia con la legge: q = ΔT/R R (o RSI) varia con lo spessore d dello strato di materiale isolante: R = d/l, dove l è la conducibilità termica W/(m K) dell isolante Il valore della resistenza totale R (o RSI) di una parete è la somma delle singole resistenze di ciascuno strato R di cui la parete è composta U overall =1/R total W/(m 2 K) Devono essere considerate le resistenze interne R int e esterna R est

19 Trasmittanze termiche limite D.Lgs. 311 (dal 2010) Zona climatica Parete verticale Copertura Pavimento verso locale non risc. Finestra A 0,62 0,38 0,65 4,6 B 0,48 0,38 0,49 3,0 C 0,40 0,38 0,42 2,6 D 0,36 0,32 0,36 2,4 E 0,34 0,30 0,33 2,2 F 0,33 0,29 0,32 2,0

20 DECRETO 26 gennaio 2010 Aggiornamento del decreto 11 marzo 2008 in materia di riqualificazione energetica degli edifici. (Pubblicato su G.U. n. 35 del 12/2/2010) Trasmittanze termiche per le ristrutturazioni

21 Come si qualifica un edificio a basso consumo energetico? Passive houses: richiesta energetica per il riscaldamento 15 kwh/(m 2 anno) riscaldamento, acqua calda sanitaria ed usi elettrici 120 kwh/(m 2 anno) L isolamento si traduce con una bassa trasmittanza U dei componenti dell involucro Parete esterna U 0,15 W/(m 2 K) Copertura U 0,15 W/(m 2 K) Pavimento U 0,15 W/(m 2 K) Porte e finestre U 0,8 W/(m 2 K) Vetro U 0,8 W/(m 2 K) Coeff. lineico ponte termico lineare y 0,01W/(m K) Tenuta all aria n 50 0,6 h -1 (EN 13829)

22 L involucro dell edificio Isolamento Porte e finestre Facciate continue in edifici commerciali Infiltrazioni d aria Facciate doppia pelle (Double skin façades)

23 Dispersione di una parete o di un soffitto Relative Heat Loss Walls at R12 (RSI 2.1, U=0.47 W/m 2 /K) Walls at R20 (RSI 3.52,U=0.28 W/m 2 /K) Roof at R32 (RSI 5.6, U=0.18 W/m 2 /K) Advanced House: Walls (R40, RSI 7.0) Roof (R60, RSI 10.6) R-Value RSI-Value

24 Fabbisogno di energia termica per il riscaldamento L energia necessaria per il riscaldamento è quella residuale (o la differenza) tra le perdite, l energia dovuta ai guadagni passivi e ai carichi interni. In tal modo ad una data percentuale di riduzione delle perdite termiche non corrisponde una proporzionale riduzione dell energia necessaria al riscaldamento.

25 Fabbisogno di energia termica per il raffreddamento L energia necessaria per il raffreddamento è quella dovuta ai guadagni passivi e ai carichi interni e alle trasmissioni di energia attraverso i vetri e le pareti. Anche in questo caso, ad una data percentuale di riduzione dei guadagni termici non corrisponde una proporzionale riduzione dell energia necessaria al raffrescamento.

26 Riduzione del fabbisogno di energia termica Come agire per ridurre i fabbisogni energetici? 1) Agisco sull involucro edilizio 2) Agisco sull impianto di riscaldamento o raffrescamento Nel primo caso dovrò considerare: 1) Isolamento termico dell involucro edilizio 2) Scelta delle tipologie di vetri e telai

27 Isolanti: materiali a struttura fibrosa o cellulare e di bassa densità La bontà dell isolante è misurata dalla conducibilità termica l < 0.05 W/(m K) Può essere inserito nelle strutture

28 Isolanti: tipologie Fibra di vetro (fibreglass) batts Fibre minerali Cellulosa Schiuma Fibra di legno Pannelli isolanti sottovuoto

29 Materiale l [W/(m K)] [kg/m 3 ] Lana di roccia 0,035 0, Lana di vetro 0,035 0, Perlite espansa 0,05-0, Vetro cellulare 0,045 0, Argilla espansa 0,130 0, Fibra di cellulosa 0, Sughero espanso 0,04 0, Fibra di legno (pannello) Fibra di legno mineralizzato 0,050-0, , Paglia e giunco 0,06 0,130 - Lana di pecora 0,04 - EPS pol. Espanso 0,035 0, XPS pol. estruso 0,030-0, PUR poliuretano 0,020 0,

30 Alcune questioni legate agli isolanti spessore costo ponti termici embodied energy (ovvero l energia richiesta per la loro fabbricazione) dispersione in ambiente di alocarburi (agenti schiumanti, quali HFC, CO 2, H 2 O, o pentano) degrado nel tempo (importante per schiume a base di HFC)

31 Il ponte termico Radiatori in nicchia all interno Cordolo interpiano

32 Il ponte termico è una configurazione strutturale o geometrica che produce una deviazione del flusso termico dalla condizione di flusso monodirezionale tra superficie interna ed esterna di una parete. a) Ponte termico di forma b) Ponte termico di struttura

33 Interventi sull involucro opaco Isolamento sottofinestra Isolamento cassonetto

34 Interventi sull involucro opaco spessore dell isolante per il rispetto dei nuovi limiti di trasmittanza Pareti verticali controparete lana di vetro Lana di vetro con conduttività da a 0.04 W/(m K)

35 Interventi sull involucro opaco-spessore dell isolante Pareti verticali isolamento in intercapedine lana di vetro Solaio su non riscaldato lana di vetro Valori indicativi,

36 Interventi sull involucro vantaggi/svantaggi ISOLAMENTO A CAPPOTTO la posa in opera necessita di impalcature esterne possibili difficoltà di posa in opera derivanti dalla presenza di elementi sporgenti in facciata limitati disagi alle unità abitative durante la posa in opera si riducono i rischi di condensa sia superficiale che interstiziale si corregge l effetto dei ponti termici si riduce lo scambio termico radiativo con gli occupanti dato che la temperatura superficiale interna è più elevata

37 Interventi sull involucro vantaggi/svantaggi RIEMPIMENTO INTERCAPEDINI rischio di condensazione interstiziale problemi di ponti termici scarso controllo della corretta esecuzione dell opera, se non è prevista un accurata valutazione preliminare l applicazione non richiede finiture di carattere estetico semplicità e basso costo di posa in opera si riduce lo scambio termico radiativo con gli occupanti (temperatura superficiale interna più elevata)

38 Interventi sull involucro vantaggi/svantaggi ISOLAMENTO DALL INTERNO riduzione del volume utile dell edificio possibile interferenza dei pannelli isolanti con componenti degli impianti termici, elettrici, etc. problemi legati ai ponti termici elevato rischio di condensa interstiziale possibile disagio per gli occupanti se si opera dall interno semplicità di posa in opera possibilità d intervento su edifici con facciate sottoposte a vincoli storici o architettonici (es. mattoni faccia a vista, bugnato, etc.) Possibilità di intervento parziale (appartamento singolo)

39 ISOLAMENTO PER COPERTURE PIANE o INCLINATE Isolamento ultimo solaio - rivestimento con materiale isolante appoggiato sulla soletta del solaio in spazi aperti dove la pedonabilità non è richiesta Tetto isolato esternamente - il materiale isolante può essere posizionato sopra o sotto lo strato impermeabile Tetto ventilato - intercapedine d aria di 8 10 cm sotto la copertura.

40 In copertura L utilizzo di ricoprimenti riflettenti e/o basso-emissivi Ricoprimento riflettente isolamento Barriera low-e

41 VIP Vacuum insulation panels La conducibilità termica è pari a ~ 1/10 di quella di una schiuma, della fibra di vetro o di un isolante a base cellulosa Per cui circa 1-cm di VIP fornisce la stessa resistenza termica di 10 cm di un normale isolante Ideali dove lo spazio è ridotto Utilizzo nelle porte e nei frigoriferi e nei freezers Costo pari a circa 10x il costo di un normale isolante

42 Pannelli Prefabbricati VIP Source: Binz and Steinke (2005, 7th International Vacuum Insulation Symposium, EMPA, Duebendorf, Switzerland,

43 VIP in unità di copertura prefabbricate

44 Finestre - Infisso TELAI PER FINESTRA Telai in legno Telai in alluminio

45 VETRATE SPECIALI Adozione di vetri basso-emissivi - aumenta la resistenza radiativa. La radiazione infrarossa proveniente dall interno è riflessa (effetto serra). Il risultato è ottenuto attraverso il trattamento superficiale del vetro. Adozione di vetri a controllo solare - la radiazione infrarossa solare è riflessa all esterno. Un aliquota della radiazione visibile solare è assorbita dalla lastra. Fattore di trasmissione Visibile Lunghezza d onda da

46 PCM passaggio di fase a temperature sufficientemente basse: accumulo di calore che può essere rilasciato in tempi sfasati anche di parecchie ore

47 Applicazioni dei PCM Telaio in legno Isolante PCM Microcapsule PCM + Cartongesso

48 Riscaldamento sotto pavimento con PCM PCM granulates Source: ZAE Symposium 04,

49 Vetro e finestre

50 Caratterizzazione: prestazioni termiche U-value UNI EN ISO , Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 1: Generalità; UNI EN 673, Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica (valore U) - Metodo di calcolo Ug (W/m 2 K) Aria Argon Kripton U w U g A g A U g f A f A f y g L g Lastra singola 5.7 Doppia Tripla Muratura 30 cm 1 Valori calcolati secondo UNI EN 673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm

51 Controllo e riduzione delle dispersioni termiche Protezione dalla radiazione solare

52 Grundschule am Reidburg, Frankfurt (D) (schermi esterni) Fonte: Danny Harvey

53 La normale pratica nella progettazione degli edifici è quella di collocare sistemi riscaldanti al di sotto delle finestre e questo perchè le finestre normalmente sono disperdenti. In tal modo è possibile: Mantenere la finestra calda evitando asimmetrie radianti Prevenire spifferi d aria (draft) Prevenire la condensazione Con finestre ad elevata prestazione, è possibile avere minori dispersioni e collocare i sistemi scaldanti altrove nella stanza

54 Valore di trasmittanza termica richiesta alla finestra per evitare il riscaldamento perimetrale in funzione della temperatura di progetto più fredda 4 Window U-value (W/m 2 /K) Perimeter Heating Needed Perimeter Heating Not Needed Design Temperature ( o C)

55 Telai Per garantire elevate prestazioni del sistema è necessario utilizzare telai ad elevate prestazioni: legno materiali polimerici (PVC) con anima in metallo profilato metallico (alluminio,acciaio) con taglio termico misto metallo legno e metallo polimero PVC Alluminio con taglio termico PVC-Alluminio Legno 55

56 Telai: trasmittanza termica, valori di riferimento (UNI EN ISO ) U w U g A g U A g f A f A y f g L g Fig. 2: Aree di riferimento nel calcolo della trasmittanza termica di un serramento vetrato. Fig. 3: Andamento della trasmittanza termica di riferimento per telai in legno (da UNI EN ISO parte 1). 56

57 MATERIALE TIPO DI TELAIO U f W/(m 2 K) Poliuretano Con anima di metallo e spesso più di 5 mm 2,6 PVC profilo vuoto Con due camere 2,1 Con tre camere 1,9 Materiale Spessore d [mm] U f W/( m 2 K)] Legno Metallo 20 2, , , , , , , ,10 4 4,2 6 3,7 8 3,5 10 3,3 12 3,2 15 3,1 20 3,1 57

58 Riduzione delle dispersioni: i profili distanziatori profilo in alluminio, profilo in acciaio, metallo variamente rivestito metallo con taglio termico fibra di vetro-polimero, poli-iso-butilene polimeri espansi (siliconici) materiali plastici (policarbonato) 58

59 Distanziatori: il coefficiente di dispersione lineico, valori di riferimento (UNI EN ISO ) 59

60 Distanziatori: il coefficiente di dispersione lineico, valori di riferimento (UNI EN ISO ) 60

61 Ingresso dell energia solare attraverso la finestra Trasmissione diretta della radiazione solare Assorbimento parziale della radiazione solare da parte degli strati vetrati; il riscaldamento dello strato: - causa una riemissione (dalla superficie interna della lastra verso l interno) di parte dell energia assorbita come IR - riduce il flusso termico tra la stanza e la superficie della lastra, riducendo la differenza di temperatura tra l aria ambiente e la lastra vetrata (se la lastra di vetro diviene più calda dell aria interna, il flusso termico si dirige verso l interno)

62 Parametri energetici: fattore solare FS o g Rapporto tra l energia globale trasmessa oltre la lastra e quella incidente su di essa; si considera sia l energia direttamente trasmessa che quella assorbita e scambiata per radiazione e convezione con l interno; FS ( τ I) c( α I I) I ai ti (1-c) ai c ai) Il fattore solare è anche indicato come total solar energy transmittance TSET, e Solar heating gain coefficient SHGC. Per lastre non trattate il valore di c viene di solito assunto pari a 0,3; con ricoprimenti bassoemissivi si può arrivare a 0,5. 62

63 Coefficiente di Solar heat gain (SHGC) o g-value (in Europa) Considera entrambi gli effetti diretto (trasmissione ridotta) e indiretto (ri-emissione di radiazione IR nella stanza e ridotte perdite di flusso termico) Per doppi vetri non trattati, SHGC = 0.7 e U = 2.5 W/m 2 /K Le finestre potrebbero essere utilizzate con i seguenti valori: - SHGC = 0.23 con U = 0.4 W/(m 2 K), oppure - SHGC = 0.60 con U = 0.7 W/(m 2 K)

64 Dipendenza del fattore solare FS o g dall angolo di incidenza della radiazione

65 DPR Valori limite di legge Art. 4,comma 20 Nel caso di ristrutturazione di edifici esistenti di cui all'articolo 3, comma 2, lettera c), numeri 1) e 2), del decreto legislativo, per tutte le categorie di edifici, così come classificati in base alla destinazione d'uso all'articolo 3, del DPR 26 agosto 1993, n. 412, ad eccezione delle categoria E.6 ed E.8, il progettista, al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti, valuta puntualmente e documenta l'efficacia dei sistemi filtranti o schermanti delle superfici vetrate, tali da ridurre l'apporto di calore per irraggiamento solare. Gli eventuali impedimenti di natura tecnica ed economica all'utilizzo dei predetti sistemi devono essere evidenziati nella relazione tecnica di cui al comma 25. La predetta valutazione può essere omessa in presenza di superfici vetrate con fattore solare (UNI EN 410) minore o uguale a 0,5.

66 Parametri ottici: t e, e, t v, v 100 UV visibile visibile infrarosso Solare: visibile + IR + UV 80 t v Trasmittanza (%) Chiaro 20 Grigio Bronzo t e Verde Lunghezza d'onda (nm)

67 1 vetro assorbente e 2 vetro basso-emissivo Senza basso emissivo 2.9 Senza basso emissivo 59% Senza basso emissivo 40%

68 Radiazione solare e vetro La radiazione che giunge sulla superficie è composta da - Ultravioletto (poca) - Visibile ( μm) - Vicino Infrarosso (NIR) ( μm) Circa la metà dell energia solare che raggiunge il suolo è nel campo del visibile e la metà nell infrarosso (NIR) Le finestre che hanno un coefficiente SHGC pari a ~ 0.25 hanno circa il 50% di trasmissione nel visibile e ~ 0 nel campo NIR così da poter essere utilizzate per la luce naturale (daylighting) ma riducono fortemente i guadagni solari e quindi i carichi per il condizionamento estivo

69 Riduzione della trasmissione di calore attraverso le finestre Uso di più lastre di vetro Vetro bassoemissivo (low-e) Uso di gas inerte tra le lastre (Ar, Kr, Xe) Vuoto tra le lastre Telaio altamente isolato Tenuta all aria

70 L incremento delle prestazioni termiche favorisce la riduzione del rumore in ambiente ma nelle ristrutturazioni occorre verificarne anche il rispetto dei limiti secondo il DPCM sui requisiti acustici passivi degli edifici Aspetti acustici

71

72 Classificazione acustica di unità immobiliari in funzione dei requisiti prestazionali (UNI 11367) Classe Isolamento acustico normalizzato di facciata [db] D 2m,nT,w Potere fonoisolante apparente di divisori verticali e orizzontali fra ambienti di differenti unità immobiliari R w [db] Livello di pressione sonora di calpestio normalizzato fra ambienti sovrapposti e/o adiacenti di differenti unità immobiliari L nw [db] Livello sonoro corretto immesso da impianti a funzionamento continuo [db(a)] L ic,eq Livello sonoro corretto immesso da impianti a funzionamento discontinuo L ic,max, [db(a)] I II III IV Qualora un requisito abbia caratteristiche peggiori rispetto a quelle proprie della classe IV, esso si considera non classificabile e viene caratterizzato con l acronimo NC.

73 Retrofit di edifici esistenti Isolamento Finestre Sigillatura all aria Sistemi HVAC Luci Solare passivo