Il calcolo dei ponti termici alla luce della attuale normativa in tema di prestazioni energetiche degli edifici

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1 IL CAPPOTTO ESTERNO, LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI E LA VERIFICA DELLE PRESTAZIONI OTTENUTE Regole e parametri per realizzare un abitazione a basso consumo in regime mediterraneo 12 dicembre 2016 Il calcolo dei ponti termici alla luce della attuale normativa in tema di prestazioni energetiche degli edifici Ph.D. Ing. Riccardo Farina Ingegnere Meccanico - Dottore di Ricerca in Ingegneria dei Sistemi Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma n sezione A ing.r.farina@gmail.com

2 SOMMARIO Il bilancio energetico dell edificio Lo scambio di energia termica per trasmissione I ponti termici definizione modalità di calcolo trasmittanza U vs. trasmittanza ψ Il decreto requisiti minimi Le verifiche termoigrometriche 2

3 Il bilancio energetico dell edificio per il riscaldamento Apporti termici dalle apparecchiature Energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici dagli occupanti Apporti termici interni Apporti termici solari dei componenti vetrati Fabbisogno globale di energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici totali Apporti termici non utilizzabili Fabbisogno ideale di energia termica per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici utilizzabili Fabbisogno ideale di energia termica per riscaldamento Apporti termici solari dei componenti opachi Scambio termico totale Fabbisogno di energia per acqua calda sanitaria Scambi termici per trasmissione Scambi termici per ventilazione Energia recuperata Perdite tecniche Confine dell ambiente climatizzato 3

4 La specifica tecnica nazionale UNI/TS Apporti termici dalle apparecchiature Energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici dagli occupanti Apporti termici interni Apporti termici solari dei componenti vetrati Fabbisogno globale di energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici totali Apporti termici non utilizzabili Fabbisogno ideale di energia termica per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici utilizzabili Fabbisogno ideale di energia termica per riscaldamento Apporti termici solari dei componenti opachi Scambio termico totale Fabbisogno di energia per acqua calda sanitaria Scambi termici per trasmissione Scambi termici per ventilazione Confine dell ambiente climatizzato Energia recuperata Perdite tecniche 4

5 La specifica tecnica nazionale UNI/TS Apporti termici dalle apparecchiature Energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici dagli occupanti Apporti termici interni Apporti termici solari dei componenti vetrati Fabbisogno globale di energia primaria per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici totali Apporti termici non utilizzabili Fabbisogno ideale di energia termica per riscaldamento e acqua calda sanitaria Apporti termici utilizzabili Fabbisogno ideale di energia termica per riscaldamento Apporti termici solari dei componenti opachi Scambio termico totale Fabbisogno di energia per acqua calda sanitaria Scambi termici per trasmissione Scambi termici per ventilazione Energia recuperata Perdite tecniche Confine dell ambiente climatizzato 5

6 Lo scambio di energia termica per trasmissione nel caso di riscaldamento Q H,tr = H tr,adj (θ int,set,h θ e ) t + Q r + Q r,u Q sol,op dove: H tr,adj èil coefficiente globale di scambio termico per trasmissione della zona considerata [W/K]; θ int,set,h èla temperatura interna di regolazione per il riscaldamento della zona considerata [ C] (pari a 20 C per gli edifici residenziali); θ e t Q r Q r,u Q sol,op èla temperatura esterna media del mese considerato [ C]; èla durata del mese considerato o della frazione di mese [Ms]; èlo scambio termico per radiazione infrarossa verso la volta celeste [MJ]; èlo scambio termico per radiazione infrarossa verso la volta celeste dagli ambienti non climatizzati adiacenti [MJ]; èl apporto di energia termica dovuto alla radiazione solare incidente sui componenti opachi [MJ]. 6

7 Lo scambio termico per trasmissione Il trasferimento di calore può avvenire: - verso l esterno (direct, D); - verso ambienti non climatizzati (unconditioned, U); - verso il terreno (ground, g); - fra edifici adiacenti a temperatura diversa dall ambiente riscaldato (adjacent, A). Il coefficiente globale di scambio termico per trasmissione è pari in generale a: H tr,adj = H D + H U + H g + H A [W/K] H U θ e H D θ int,set,h H A H g 7

8 Lo scambio termico per trasmissione Ognuno dei quattro coefficienti dipende dalla capacitàche i componenti edilizi costituenti l ambiente hanno di trasmetterecalore e quindi dalla trasmittanzadi tali componenti e dalle trasmittanze lineare e puntuale dei ponti termici presenti: H x = b tr,x [Σ i A i U i + Σ k l k ψ k + Σ j χ j ] [W/K] dove: A i èl area dell'i-esimo componente edilizio [m 2 ]; U i l k ψ k χ j èla trasmittanza termica dell'i-esimo componente edilizio [W/(m 2 K)]; èla lunghezza del ponte termico k-esimo [m]; èla trasmittanza termica lineare del ponte termico k-esimo [W/(mK)]; èla trasmittanza termica puntuale del ponte termico j-esimo [W/K]; b tr,x èil fattore di correzione dello scambio termico tra ambienti [0], con b tr,x = 1 nel caso di scambio termico verso l esterno e b tr,x < 1 negli altri casi. 8

9 I sistemi dimensionali Le dimensioni dei componenti edilizi possono essere misurate secondo tre diversi sistemi, in accordo alla UNI EN ISO 13789:2008: - dimensioni interne, misurate tra le facciate interne finite di ogni ambiente in un edificio (escluso quindi lo spessore delle partizioni interne); - dimensioni interne totali, misurate tra le facciate interne finite degli elementi esterni dell edificio (incluso quindi lo spessore delle partizioni interne); - dimensioni esterne, misurate tra le facciate esterne finite degli elementi esterni dell edificio. Dimensioni interne Dimensioni interne totali Dimensioni esterne Ognuno dei sistemi può essere adottato, purchésia utilizzato in modo uniforme per tutte le parti dell edificio: il coefficiente di scambio termico per trasmissione risulta essere lo stesso a condizione che tutti i ponti termici siano presi in considerazione. 9

10 I ponti termici Sono le posizioni dell involucro edilizio in corrispondenza delle quali si hanno modifiche del tasso di flusso termico e delle temperature superficiali, quali: - tetti (R); - balconi (B); - angoli (C); - pavimenti intermedi (IF); - pilastri (P); - pavimenti (GF); - pareti interne (IW); - aperture con finestre o porte (W). 10 R W R IW IF W P B C C I valori della trasmittanza termica lineare ψdevono essere determinati esclusivamente attraverso il calcolo numericoin accordo alla UNI EN ISO 10211(accuratezza tipica ±5%) o attraverso l uso di atlanti di ponti termiciconformi alla UNI EN ISO (accuratezza tipica ±20%). Per gli edifici esistenti èammesso in aggiunta l uso di metodi manuali conformi alla UNI EN ISO (accuratezza tipica ±20%). N.B.: Èsempre da escludersi l utilizzo dei valori di progetto della trasmittanza termica lineare ψ riportati nell allegato A della UNI EN ISO 14683:2008. IW GF

11 Atlanti di ponti termici Gli esempi di dettagli edilizi riportati negli atlanti dei pontitermici presentano essenzialmente alcuni parametri prefissati (per esempio dimensioni e materiali) e risultano quindi meno flessibili rispetto ai calcoli. In generale, gli esempi indicati in un atlante non corrispondonoesattamente alla particolare tipologia considerata e quindi l applicazione del valore di ψ, specificato dall atlante, ad un particolare dettaglio introduce un incertezza. Tuttavia può essere utilizzato il valore di ψpreso da un atlante, a condizione che le dimensioni e le proprietàtermiche dell esempio dell atlante siano simili o termicamente meno favorevoli di quelle del dettaglio considerato. [fonte: Catalogue des ponts thermiques, Office Fédéral de l'énergie (Svizzera)] 11

12 Metodi manuali per il calcolo di ponti termici La maggior parte dei metodi manuali si applica solo ad un tipo specifico di ponte termico perciò può essere molto accurato nello specifico intervallo di applicazione, ma molto poco accurato al di fuori di questo campo. [fonte: Abaco dei ponti termici Cened] 12

13 L abaco dei ponti termici CENED Nasce nel 2011 dalla collaborazione di Regione Lombardia, ANCE Lombardia e Politecnico di Milano. Raccoglie 90 ponti termici classificati in 10 famiglie tipologiche (archetipi): Ogni ponte termico èdescritto in una scheda che consente il calcolo della trasmittanza termica lineare ad esso associata a partire da un set di parametri caratteristici e relativa ad un sistema di dimensioni interne od esterne. L analisi in esso contenuta èstata svolta facendo riferimento alle norme UNI EN ISO 10211:2008, UNI EN ISO 6946:2008 e UNI EN ISO 14683:

14 L abaco dei ponti termici CENED I parametri utilizzati per il calcolo della trasmittanza termica lineare sono: La trasmittanza termica delle pareti, U [W/m 2 K)]; La trasmittanza termica del telaio del serramento, U TEL [W/(m 2 K)]; La conduttività termica equivalente della parete: λ eq = C L [W/(mK)] dove: C = L 1 R i = d i i 1 = di i λ i èla conduttanza della parete escludendo lo strato di isolante [W/(m 2 K)]; è lo spessore della parete escludendo lo strato di isolante [m]; La trasmittanza adimensionale, U*[0]; La lunghezza adimensionale, L*[0]. 14

15 L abaco dei ponti termici CENED [fonte: Abaco dei ponti termici Cened] 15

16 Trasmittanza U e trasmittanza lineare ψ Muratura in mattoni pieni, d = 42 cm (2 38 2) Dim. Parete Angolo di 90 Angolo di 270 E E I I E I interne esterne U = 1,336 W/(m 2 K) ψ i = 0,247 W/(mK) ψ e = -0,875 W/(mK) ψ i = -0,770 W/(mK) ψ e = 0,353 W/(mK) 16

17 Trasmittanza U e trasmittanza lineare ψ Muratura piena listata con mattoni, d = 42 cm (2 38 2) Dim. Parete Angolo di 90 Angolo di 270 interne esterne U = 1,336 W/(m 2 K) ψ i = 0,247 W/(mK) ψ e = -0,875 W/(mK) ψ i = -0,770 W/(mK) ψ e = 0,353 W/(mK) Supponendo che la parete sia alta 3 m, si può determinare il flusso di calore unitario e cioèil coefficiente di scambio termico attraverso ciascun ponte termico, che deve prescindere dal sistema dimensionale. E Nel caso dell angolo di 90 si ha: (i) H tr,i = ψ i l= 0,247 3 = 0,741 W/K; (e) H tr,e = U 2 (d l) + ψ e l= = 1,336 2 (0,42 3) 0,875 3 = 0,742 W/K. I 17

18 Trasmittanza U e trasmittanza lineare ψ Muratura piena listata con mattoni, d = 42 cm (2 38 2) Dim. Parete Angolo di 90 Angolo di 270 interne esterne U = 1,336 W/(m 2 K) ψ i = 0,247 W/(mK) ψ e = -0,875 W/(mK) ψ i = -0,770 W/(mK) ψ e = 0,353 W/(mK) Supponendo che la parete sia alta 3 m, si può determinare il flusso di calore unitario e cioèil coefficiente di scambio termico attraverso ciascun ponte termico, che deve prescindere dal sistema dimensionale. Nel caso dell angolo di 270 si ha: (i) H tr,i = U 2 (d l) + ψ i l = 1,336 2 (0,42 3) 0,770 3 = 1,057 W/K. E I (e) H tr,e = ψ e l= 0,353 3 = 1,059 W/K 18

19 Il decreto requisiti minimi Requisiti e prescrizioni specifici per gli edifici soggetti a ristrutturazioni importanti di primo livello(involucro opaco) Verifica che il coefficiente medio globale di scambio termicoh T risulti inferiore al valore massimo ammissibile riportato nella Tabella 10 dell Appendice A in funzione della zona climatica e del rapporto S/V. Per tale verifica, il coefficiente H T si calcola come: H T = H tr,adj / Σ k A k [W/(m 2 K)] dove: H tr,adj èil coefficiente globale di scambio termico per trasmissione [W/K]; A k èla superficie del k-esimo componente (opaco o trasparente) [m 2 ]. 19

20 Il decreto requisiti minimi Requisiti e prescrizioni specifici per gli edifici soggetti a ristrutturazioni importanti di secondo livello(involucro opaco) Rispetto dei requisiti e delle prescrizioni relative agli edifici esistenti sottoposti a riqualificazione energetica; Verifica che il coefficiente medio globale di scambio termicoh T, determinato per l intera porzione dell involucro oggetto dell intervento (parete verticale, copertura, solaio, serramenti, ecc.), comprensiva di tutti i componenti, su cui si èintervenuti, risulti inferiore al pertinente valore limite riportato alla quarta riga della Tabella 10, dell Appendice A. 20

21 Il decreto requisiti minimi Requisiti e prescrizioni specifici per gli edifici soggetti a riqualificazione energetica (involucro opaco) I valori della trasmittanza termicau per le strutture opache verticali, orizzontali o inclinate di coperturae di pavimento, delimitanti il volume climatizzato verso l esterno o verso locali non climatizzati, non devono risultare superiori ai valori massimi ammissibili riportati, rispettivamente, nelle Tabelle 1, 2 e 3 dell Appendice B in funzione della zona climatica. N.B.: I valori di trasmittanzadelle tabelle 1, 2 e 3 (strutture opache), si considerano comprensivi dei ponti termiciall interno delle strutture oggetto di riqualificazione (ad esempio ponte termico tra finestra e muro) e di metàdel ponte termico al perimetro della superficie oggetto di riqualificazione. 21

22 Il decreto requisiti minimi Prescrizioni comuniper gli edifici di nuova costruzione, gli edifici oggetto di ristrutturazioni importanti e gli edifici sottoposti a riqualificazione energetica Nel caso di intervento che riguardi le strutture opachedelimitanti il volume climatizzato verso l esterno, si procede in conformitàalla normativa tecnica vigente (UNI EN ISO 13788), alla verifica dell assenza: di rischio di formazione di muffe, con particolare attenzione ai ponti termici negli edifici di nuova costruzione; di condensazioni interstiziali. 22

23 Le verifiche termoigrometriche Si ha rischio di formazione di muffe quando i valori medi mensili dell umidità relativa superficiale sono superiori all umiditàrelativa critica ϕ si,cr = 80%. Per evitare tale rischio occorre che il fattore di temperaturain corrispondenza della superficie interna f Rsi sia superiore al relativo fattore di progetto f Rsi,min : θ θ si e f Rsi = > frsi,min θi θe = θ si,min θ i θ θ e e dove: θ e θ i θ si èla temperatura media mensile dell aria esterna [ C]; èla temperatura operativa dell aria interna [ C], che per edifici destinati ad abitazione e simili si assume pari a 20 C per l intero mese, nei mesi (o frazioni di mese) in cui è in funzione l impianto di riscaldamento; èla temperatura della superficie interna [ C]; θ si,min èla temperatura della superficie interna minima accettabile[ C], al disopra della quale ha inizio la crescita di muffe, che si determina a partire dalla pressione del vapore acqueo nell aria interna. 23

24 Le verifiche termoigrometriche Si definisce mese criticoper una data localitàquello con il piùalto valore richiesto di f Rsi,min. Il fattore di temperatura per questo mese viene indicato con f Rsi,max e il componente edilizio deve essere progettato in modo tale da avereun fattore f Rsi sempre maggiore di f Rsi,max. Per elementi piani, questa verifica può ricondursi a quella che la resistenza termica totale del componente risulti: R T R > 1 f si Rsi,max in cui R si rappresenta la resistenza superficiale interna del componente, da assumere cautelativamente pari a 0,25 m 2 K/W. Nel caso di trasmissione del calore in geometria non monodimensionale, quale quello dei ponti termici, occorre determinare le temperature superficiali minime attraverso una simulazione dinamica agli elementi finiti. N.B.: si deve assumere R si = 0,25 m 2 K/W anche per rappresentare l effetto di angoli, mobili, tende o controsoffitti due simulazioni dinamiche: una per la verifica termoigrometrica ed una per il calcolo della trasmittanza del ponte termico! 24

25 Esempio di calcolo La UNI EN ISO e le UNI 10349:2016 indicano che per Roma: il mese piùfreddo ègennaio, con θ e = 8,1 C; il mese critico per la condensa ègennaio, con θ si,min = 12,8 C, R T,min = 0,414 m 2 K/W e U max = 2,415 W/(m 2 K); il mese critico per il rischio muffa ègennaio, con θ si,min = 16,2 C, R T,min = 0,795 m 2 K/W e U max = 1,258 W/(m 2 K). Mentre per una parete con cappotto esterno tali requisiti non risultano particolarmente stringenti, occorre verificare cosa accade in corrispondenza dei ponti termici in essa presenti (anche se il decreto parla di particolare attenzione ai ponti termici negli edifici di nuova costruzione ). N.B.: tale verifica è possibile solo attraverso una simulazione dinamica! 25

26 Esempio di calcolo Simulazione dinamica con software agli elementi finiti (Therm) del ponte termico relativo ad una parete con cappotto da 10 cm ed il solaio interpiano con balcone, ψ e = 0,652 W/(mK), con condizioni al contorno di Roma a Gennaio (θ e = 8,1 C). maggiore della temperatura minima al disotto della quale si ha rischio muffa! 26

27 Grazie per l attenzione ing.r.farina@gmail.com 27