Project MAIN MAteriaux INtelligents. A04p1. Parametri prestazionali delle superfici degli edifici

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1 Project MAIN MAteriaux INtelligents A04p1. Parametri prestazionali delle superfici degli edifici del 14/11/081

2 Contenuto della lezione A04 parte 1 *Riflettanza Solare: definizione, valori tipici, misure, certificazione, esempi pratici (solo corso avanzato). *Emissività termica: definizione, valori tipici, misure, certificazione, esempi pratici (solo corso avanzato). *Solar Reflectance Index (SRI): definizione, significato pratico (solo corso avanzato). *Invecchiamento di cool materials per tipi di prodotto e clima; invecchiamento naturale e prospettive sull invecchiamento artificiale ed accelerato (solo corso avanzato). *Gli argomenti marcati con asterisco sono rivolti al solo corso avanzato. Anche l'intestazione delle relative sezioni ed i titoli di tutte le relative diapositive sono segnati. del 14/11/08 2

3 *PROPRIETA DEI MATERIALI RILEVANTI PER L UHI del 14/11/08 3

4 Bilancio termico di una superficie irradiata radiazione solare in arrivo Radiazione solare riflessa T surf radiazione termica emessa T sky T air convezione assorbimento - conduzione Struttura del tetto T indoor del 14/11/08 4

5 Per un tetto molto isolato, la temperatura superficiale T surf può essere calcolata considerando il seguente bilancio (i.e., ignorando il trasferimento di calore attraverso l involucro dell edificio per conduzione): α I = E σ (T surf4 T sky4 ) + h conv (T surf T air ) dove: α [%] assorbanza solare (α = 1 riflettanza solare SR) I [W/m 2 ] irradianza solare globale E [%] emissività termica σ [ W/(m 2 K 4 )] constante di Stefan-Boltzmann T sky [K] temperatura del cielo (imposta a 300 K nelle condizioni dello standard ASTM E1980) h conv [W/(m 2 K)] coefficiente di scambio termico convettivo (assunto uguale a 5, 12, or 18 W/(m 2 K) in condizioni di vento basso, medio ed alto, rispettivamente, nella ASTM E1980) T air [K] temperatura dell aria (imposta a 300 K nelle condizioni dello standard ASTM E1980) [K] temperatura della superficie che volgiamo calcolare T surf In condizioni adiabatiche (~ alto isolamento) del 14/11/08 5

6 Proprietà ottiche Riflettanza Solare (SR or ρ sol ) Rapporto tra la radiazione solare riflessa e la radiazione incidente totale (i.e. irradiazione) Trasmittanza Solare (τ sol ) Rapporto tra la radiazione solare trasmessa e la radiazione incidente totale Radiazione incidente Radiazione riflessa Radiazione assorbita Radiazione trasmessa Assorbanza solare (α or α sol ) Rapporto tra la radiazione solare assorbita e la radiazione incidente totale Poiché la radiazione totale può solo essere riflessa trasmessa o assorbita deve necessariamente essere: ρ sol + τ sol + α sol = 1 del 14/11/08 6

7 Misura delle proprietà ottiche Riflettanza solare (o coefficiente di riflessione solare) Spettrofotometro UV-Vis-NIR Riflettometro Solare Albedometro Trasmittanza solare (o coefficiente di trasmissione solare) Spettrofotometro UV-Vis-NIR Assorbanza solare (o coefficiente di assorbimento solare) Solitamente non è misurato direttamente, ma calcolato usando l equazione di conservazione: α sol = 1 ρ sol τ sol Per una superficie opaca, con τ sol = 0, si ha: α sol = 1 ρ sol del 14/11/08 7

8 Misura delle proprietà ottiche Riflettanza solare con spettrofotometro UV-Vis-NIR ASTM E903 Metodo di misura standard per assorbanza, riflettanza e trasmittanza solare dei materiali con uso di sfere integratrici ISO 9050 Vetri negli edifici Determinazione della trasmittanza luminosa, trasmittanza solare diretta, trasmittanza energetica solare totale, trasmittanza ultravioletta e fattori correlati per vetri EN 410 Vetri negli edifici. Determinazione delle caratteristiche luminose e solari dei vetri Riflettanza solare con riflettometro ASTM C1549 Standard Test Method for Determination of Solar Reflectance Near Ambient Temperature Using a Portable Solar Reflectometer Riflettanza solare con albedometro ASTM E1918 Metodo di misura standard per riflettanza solare in campo su superfici orizzontali e a bassa pendenza del 14/11/08 8

9 *MISURA DELLA RIFLETTANZA SOLARE del 14/11/08 9

10 Misura della riflettanza solare Possiamo fidarci del colore? del 14/11/08 10

11 Misura della riflettanza solare del 14/11/08 11

12 Spettrofotometro UV-Vis-NIR (EN410, ISO 9050, ASTM E903 standards) È usato per misure spettrali di riflettanza e trasmittanza tra e nm di materiali regolari e diffusivi. Spettrofotometro UV-Vis-NIR del 14/11/08 12

13 (EN410, ISO 9050, ASTM E903 standards) È usato per misure spettrali di riflettanza e trasmittanza tra e nm di materiali regolari e diffusivi. del 14/11/08 13

14 Spettrofotometro UV-Vis-NIR Un fascio luminoso collimato prodotto da un sistema di lampade integrato incide con un angolo di 6-10 sulla superficie del campione (l angolo di incidenza dipende dallo strumento). L area di misura è ampia ~ 3-4 mm ed alta 20 mm (dipende dalle impostazioni e dallo strumento). Lo strumento misura la parte riflessa o trasmessa del fascio luminoso. PMT e PbS detectors sul fondo di una sfera integratrice Misura del fascio luminoso al portello di riflettanza del 14/11/08 14

15 Riflettori diffusi vs. speculari Riflettori speculari, reali e Lambertiani (diffusivi) Source: Lienhard & Lienhard, A Heat Transfer Textbook, 3rd edition (2008) del 14/11/08 15

16 Spettrofotometro UV-Vis-NIR Si possono misurare campioni piatti e omogenei (per caratterizzare campioni variegati si possono effettuare molte misure). Per misure su riflettori diffusivi, lo spetrofotometro dovrebbe essere equipaggiato con una sfera integratrice, cioè una sfera rivestita con un materiale ad elevata riflettanza solare nel range di misura. Source: del 14/11/08 16

17 Spettrofotometro UV-Vis-NIR È una misura relativa, effettuata in confronto ad un campione calibrato con riflettanza solare nota ρ λ e di cui è noto lo spettro di riflessione. Per ottenere la riflettanza solare ρ sol è necessario pesare la riflettanza spettrale misurata ρ λ su una distribuzione di irradianza solare spettrale. del 14/11/08 17

18 Output spettrofotometro UV V NIR ρ λ λ [nm] Curva di riflettività spettrale del 14/11/08 18

19 Radiazione solare Spettro solare e spettro solare dopo l assorbimento dell atmosfera Source: Lienhard & Lienhard, A Heat Transfer Textbook, 3rd edition (2008) del 14/11/08 19

20 Radiazione solare Spettri solari standard AM1GH e E891BN Standard differenti come il EN410, ISO 9050, ASTM E903 forniscono differenti curve di peso (i.e. spettri solari), portando risultati leggermente differenti. del 14/11/08 20

21 Radiazione solare Spettri solari standard AM1GH e E891BN Standard differenti come il EN410, ISO 9050, ASTM E903 forniscono differenti curve di peso (i.e. spettri solari), portando risultati leggermente differenti. del 14/11/08 21

22 Calcolo della riflettanza solare ρ λ UV V NIR λ [nm] La riflettanza solare è calcolata integrando, sul range di lunghezze d onda della radiazione solare, la riflettività spettrale misurata, pesata sull irradianza spettrale del sole alla superficie terrestre. ρ λ x (I λ /I λ,max ) UV V NIR R 2500 λ 300 = ρ I I λ λ dλ dλ λ [nm] del 14/11/08 22

23 Riflettometro solare (standard ASTM C1549) Illuminazione diffusa del campione attraverso una sorgente interna. Campione di un pollice di diametro (diametro del portello di misura). Fornisce solo il valore della riflettanza solare (no spettro), pesato in funzione di uno spettro di riferimento; misure di sensori incorporati che operano a diverse lunghezze d'onda. Riflettometro solare by Devices & Services Dettaglio del portello di misura del 14/11/08 23

24 Albedometro (standard ASTM E1918) È composto da 2 piranometri, schiena a schiena, misura la radiazione solare totale incidente da sopra e riflessa da sotto. Misure in campo su qualunque superficie (orizzontale o a bassa pendenza). Sono richiesti: cielo terso e elevazione solare > m sopra la superficie, area da misurare > 4 m x 4 m. An albedometer over a gravel roof A close view of an albedometer del 14/11/08 24

25 Albedometro (modificazione dello standard ASTM E1918) Metodo proposto da Akbari et al. (2008) per misurare l albedo di un campione di 1m2 SR (or ρ sol ): dove: SR black SR white I 3 I 2 I 1 SR = SR black + (SR white SR black ) (I 3 I 2 ) / (I 2 I 1 ) [-] Riflettanza della maschera nera (misurata in lab) [-] Riflettanza della maschera bianca (misurata in lab) [W/m2] Irradianza misurata dalla superficie del campione [W/m2] Irradianza misurata con maschera nera sopra il campione [W/m2] Irradianza misurata con maschera bianca sopra il campione Le maschere devono essere 1 m2, lambertiane (i.e., riflettori diffusi), e spettralmente piatte (i.e., non-selettive). del 14/11/08 25

26 Certificazione della rilfettanza solare CRRC Cool Roof Rating Council CRRC degli U.S.A. richiede che i test di riflettanza solare siano condotti utilizzando attrezzature e procedure in accordo con lo standard ASTM C1549. Anche lo standard ASTM E903 è accettato. ECRC European Cool Roof Council ECRC of Europe richiede che i test siano condotti in conformità a ASTM C1549 ed a ASTM E903. Standard europei non sono ancora disponibili. del 14/11/08 26

27 *MISURA DI EMISSIVITÀ TERMICA del 14/11/08 27

28 Radiazione termica La radiazione termica è la radiazione elettromagnetica emessa da una superficie dovuta all attività cinetica a livello microscopico, come oscillazioni ad alta frequenza di atomi attorno alla loro posizione media nel reticolo della materia solida. Solo la radiazione prodotta in uno strato pochi decimi di millimetro emerge dalla superficie. L attività cinetica a livello microscopico è correlata alla temperatura assoluta, in gradi kelvin: T [K] = T [ C] Come risultato, la radiazione termica è correlata alla temperatura assoluta. Solo alla temperatura dello zero assoluto (0 K = C) l attività cinetica e la radiazione termica sono nulle. del 14/11/08 28

29 Radiazione termica La radiazione termica ha anche una distribuzione spettrale, che dipende sia dalla lunghezza d onda che dalla temperatura assoluta. La radiazione termica emessa da una superficie a temperatura ambiente (circa 300 K = 27 C) cade in gran parte nelle lunghezze d onda dell infrarosso (o lontano infrarosso), da 5 a 50 µm (da a nm) e non è visibile. Lunghezze d onda (µm) La radiazione solare è radiazione termica emessa dalla superficie del sole che è a circa K. La radiazione solare che raggiunge la terra è soprattutto nel range UV-Vis- NIR, da 0.3 a 2.5 µm (cioè da 300 a 2500 nm). del 14/11/08 29

30 Emissività termica Rapporto tra la radiazione termica emessa da una superficie e la massima emissione teorica alla stessa temperatura. È una quantità adimensionale che varia tra 0 e 1 (o tra 0 e 100%). E = q(t surf ) / q b (T surf ) Il potere emissivo q [W/m 2 ] è il calore irradiato per unità di superficie e di tempo. L emissione massima teorica q b ad una data temperatura è il così detto potere emissivo di corpo nero (emettitore perfetto teorico). Il potere emissivo spettrale q λ è il calore irradiato per unità di superficie e per unità di lunghezza d onda. Integrando il potere emissivo spettrale sopra lo spettro di radiazione elettromagnetica porta la potere emissivo (totale). del 14/11/08 30

31 Emissività termica q λ,b Il potere emissivo totale q b ad una data temperatura è rappresentato graficamente dall area sotto la curva di emissività spettrale q λ,b alla stessa temperatura. Il potere emissivo spettrale a temperatura ambiente è trascurabile nel range del visibile. wavelength λ [µm] L emissione termica a temperatura ambiente cade nel range 5-50 µm (infrarosso), mentre invece la radiazione solare è emissione termica a 5800 K (la temperatura superficiale del sole) nel range µm. del 14/11/08 31

32 Emissività termica Emissività o Emittanza? Il National Institute of Standards and Technology (NIST, in precedenza NBS) raccomanda di riservare la desinenza -ività per le proprietà radiative di materiali puri e perfettamente lisci, mentre la desinenza -anza per superfici grezze e contaminate. La maggior parte delle superfici reali cadono nella seconda categoria [ ]. Comunque, pochi ricercatori del campo sembrano seguire queste indicazioni, sembrano piuttosto usare le desinenze in funzione del loro gusto personale. (Michale F. Modest, Radiative heat transfer, p.76) del 14/11/08 32

33 Valori tipici di emissività termica Tipiche proprietà radiative di alcuni materiali per tetti puliti Source: del 14/11/08 33

34 Misure di emissività termica Tra i diversi metodi per la misura dell emissività termica, i seguenti standard sono riconosciuti come le procedure ufficiali per quantificare l emissività termica: ASTM C1371 Standard test method per la determinazione dell emissività di materiali a temperatura ambiente usando un emissometro portatile Slide Method (modificazione del ASTM C1371 richiesta dal CRRC-1 per campione con elevata resistenza termica) EN Fogli flessibili per impermeabilizzazione. Determinazione dell emissività. del 14/11/08 34

35 Emissometro IR (ASTM C1371) L emissività termica può essere misurata con un emissometro portatile (metodo calorimetrico). I campioni devono essere piatti e di dimensioni maggiori di 5.7 mm di diametro. Source: del 14/11/08 35

36 Emissometro IR (ASTM C1371) Tecnica indiretta che usa due standard calibrati (un disco basso emissivo ed uno alto emissivo) per determinare l emissività. Entrambi gli standard sono posti sopra un dissipatore metallico mantenuto a temperatura ambiente. Un detector a termopila differenziale è integrato in un sensore riscaldato elettricamente (la superficie è ricoperta con uno strato alto emissivo e stabilizzata a T d 63 C). Quando la testa del sensore è posta sul campione, il detector misura il flusso termico scambiato tra il fondo del sensore e la superfice del campione per radiazione termica infrarossa. Source: D&S Emissometer Technical Notes TN79-17 del 14/11/08 36

37 Emissometro IR Source: D&S Emissometer Technical Notes TN79-17 Il sensore a termopila sente la differenza di temperatura tra I settori ad alta (neri) ed a bassa (dorati) emissività. Source: D&S Emissometer Technical Notes TN79-17 L output è correlato all emissività E s e raggiunge I 2.4 mv for E s = del 14/11/08 37

38 Emissometro IR L output del detector può essere espresso come: dove U k σ E T s d U = k σ 1 E output in Volt del detector costante del detector costante di Stefan-Boltzmann emissività termica temperatura assoluta del campione del detector ( T T ) 4 4 s d 1 + E d s 1 Source: D&S Emissometer Technical Notes TN79-17 del 14/11/08 38

39 Emissometro IR La correlazione tra l output in volt del detector e l emissività del campione si trova attraverso una interpolazione lineare tra i segnali rilevati dal campione alto e da quello basso emissivo. Questo emissometro misura l emissività normale poiché la cavità radiativa formata dal detector e dal campione è un compromesso tra emissività emisferica e normale. Il produttore dichiara che se l interpolazione è fatta tra i valori di emissività emisferica dei campioni di riferimento (piuttosto che tra quelli di emissività normale) il valore di emissività fornito dallo strumento è quasi coincidente con l emissività emisferica. Il metodo richiede che i due standard ed il campione siano mantenuti alla stessa temperatura (i.e. ambiente). Campioni sottili o con conducibilità medio-alta devono essere stabilizzati usando un dissipatore. del 14/11/08 39

40 Emissometro IR (Slide Method modificazione di ASTM C1371) Lo slide method si effettua usando lo stesso emissometro della tecnica standard. È raccomandato per campioni termicamente spessi con relativamente alta resistenza termica, in pratica, tutti i materiali non metallici, in cui il calore proveniente dalla testa del detector causerebbe un aumento della temperatura superficiale alterando la misura. Minimizza riscaldamenti indesiderati del campione, possiede una elevata riproducibilità tra differenti laboratori. Il metodo è richiesto da CRRC e ECRC per tutti i materiali non metallici. del 14/11/08 40

41 Source: Project MAIN MAtériaux INtelligents Emissometro IR (ASTM C1371 e Slide Method) La messa a punto dello strumento prevede di disporre i campioni di riferimento sopra al dissipatore interponendo una goccia d acqua per favorire l adesione e ridurre le resistenze di contatto. Prima di tutto, la calibrazione è fatta ponendo la testa del sensore (dopo un periodo di riscaldamento) alternativamente sui campioni alto e basso emissivo per ~90 s ciascuno, finché l output non è omogeneo per due letture consecutive sopra lo stesso standard. Dopo che la calibrazione è fatta, il detector è posto per ~ 90 sec sul campione. Per lo slide method, dopo circa 40 sec di riposo sul campione, il detector è mosso sul campione alla ricerca di superfice fresca. del 14/11/08 41

42 Emissometro IR robotizzato del 14/11/08 42

43 Emissometro TIR (EN 15976) Un detector infrarosso (2.5 to 40 µm) registra la radiazione emessa da un radiatore emisferico alto emissivo a 100 C e riflessa da un campione a temperatura ambiente. Il detector, sotto queste condizioni, è rappresentativo di un corpo nero. Source: Inglas Tir100 Physical basis and operation Source: del 14/11/08 43

44 Emissometro TIR È una tecnica indiretta che usa due standard calibrati (un dissipatore anodizzato ed una superficie metallica lucidata a specchio) per determinare l emissività. La correlazione tra l output U del sensore e l emissività E è ottenuta grazie ad una interpolazione lineare tra i segnali ottenuti sui due standard di riferimento con emissività bassa (0.012) ed alta (0.955). E Source: Inglas Tir100 Physical basis and operation del 14/11/08 44

45 Emissometro TIR Questo metodo richiede che i due standard ed il campione da misurare siano mantenuti alla stessa temperatura. Per evitare derive termiche sulla superficie da analizzare, le misure devono essere fatte immediatamente dopo avere affacciato il campione allo strumento (1 s). Campioni sottili o con conducibilità termiche basse dovrebbero essere stabilizzati utilizzando un dissipatore di calore. Range di misura 0.02 < E < 0.98 Source: Inglas Tir100 Physical basis and operation del 14/11/08 45

46 Certificazione di emissività termica CRRC Cool Roof Rating Council CRRC degli U.S..A richiede che I test di emissività termica siano condotti usando strumenti (Emissometro Devices&Services AE1 con voltmetro RD1) e procedure in accordo con ASTM C1371. Per campioni con elevata resistenza termica, il CRRC richiede di usare una modificazione del C1371, lo slide method (D&S TN 10-2) ECRC European Cool Roof Council Lo ECRC (europeo) richiede che i test siano condotti in accordo alla norma ASTM C1371 ed usando lo slide method quando necessario. Lo ECRC accetta anche che le misure di emissività termica siano condotte con strumento conforme a EN È importante sottolineare che il calcolo del SRI, dettagliato nelle seguenti slide, è basato su ASTM C1371 e non su EN 15976! del 14/11/08 46

47 *SOLAR REFLECTANCE INDEX del 14/11/08 47

48 Solar Reflectance Index L SRI (da non confondersi con la riflettanza solare SR) descrive la freddezza di un coating per tetto, o una superfice in generale, combinando due proprietà chiave, la riflettanza solare e l emissività termica. Lo standard ASTM E1980 descrive la procedura per calcolare questo indice, valutando la temperatura superficiale in stato stazionario sotto il sole T surf [K], la temperatura apparente del cielo T sky [K], la temperatura dell aria T air [K], la assorbanza solare α [%], l irradianza solare di riferimento I [W/m 2 ], il coefficiente di convezione [W/(m 2 K)] e l emissività termica 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 del 14/11/08 48

49 Solar Reflectance Index SRI: semplice scala di freschezza dove una superficie standard nera assorbente (SR=0.05, E=0.90) è caratterizzata da SRI=0% ed una superfice pienamente riflettente bianca (SR=0.80, E=0.90) corrisponde a SRI=100%. Perciò, per una superficie con riflettanza solare ed emissività termica note e le condizioni di convezione siano note/stabilite, l SRI può essere calcolato come segue: SRI = 100 (T black T surf ) / (T black T white ) Dove T black e T white sono temperature in stato stazionario delle superfici di riferimento bianca e nera, rispettivamente, e T surf è la temperatura in stato stazionario della superficie considerata calcolata dalla relazione: (1 SR) I = E σ (T surf4 T sky4 ) + h conv (T surf T air ) del 14/11/08 49

50 Solar Reflectance Index superficie di riferimento bianca (SR=0.80, E=0.90) superficie di riferimento nera (SR=0.05, E=0.90) del 14/11/08 50

51 Solar Reflectance Index superficie di riferimento nera(sr=0.05, E=0.90) superficie di riferimento bianca (SR=0.80, E=0.90) del 14/11/08 51

52 Solar Reflectance Index Le condizioni standard descritte in ASTM E1980 si riferiscono a valori numerici ottenuti utilizzando i seguenti parametri: I = T air = 1000 W/m 2 (picco di irradianza solare) 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 bassa (0<v<2 m/s), media (2<v<6 m/s), o alta (6<v<10 m/s) velocità del vento, rispettivamente Elevati valori di riflettanza solare ed emissività termica inducono più basse temperature superficiali e di conseguenza maggiori SRI. Elevati valori di riflettanza solare, ma bassi valori di emissività termica inducono temperature dei tetti più elevate e perciò SRI più bassi. Materiali nuovi e promettenti con SR>0.80 e E 0.90 possono portare a valori SRI sopra il 100%. del 14/11/08 52

53 *INVECCHIAMENTO DI COOL MATERIALS del 14/11/08 53

54 Invecchiamento di cool materials Le prestazioni a nuovo non sono rappresentative delle prestazioni reali dei prodotti invecchiati in situ del 14/11/08 54

55 Invecchiamento di cool materials del 14/11/08 55

56 Invecchiamento di cool materials Invecchiamento naturale Invecchiamento accelerato Bio-Aging del 14/11/08 56

57 Invecchiamento naturale Source: Bipin Shah, President WinBuild Inc. del 14/11/08 57

58 Invecchiamento naturale Source: Bipin Shah, President WinBuild Inc. del 14/11/08 58

59 Invecchiamento accelerato Source: Paolini et Al del 14/11/08 59

60 Invecchiamento di cool materials - Bio-aging Simulazione accelerata dell effetto di organismi biologici sulle prestazioni dei cool roof del 14/11/08 60