Richiami di trasmissione del calore e Prestazioni termofisiche dell involucro edilizio prof. ing. Giorgio Raffellini

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1 Richiami di trasmissione del calore e Prestazioni termofisiche dell involucro edilizio prof. ing. Giorgio Raffellini Dip. di Tecnologie dell architettura e Design P. Spadolini Università di Firenze

2 Modalità trasmissione calore CONDUZIONE (caratteristica nei solidi, es. barretta ferro scaldata, strato d aria ferma es. vetrocamera) CONVEZIONE (caratteristica nei fluidi: liquidi e gas), si suddivide in naturale (es. fumo di sigaretta) e forzata (es. ventilatore) IRRAGGIAMENTO (diverso dai precedenti, in quanto avviene per onde elettromagnetiche e quindi non ha bisogno di un mezzo, e quindi anche nel vuoto, es. energia solare)

3 Nella trasm. calore è fondamentale conoscere la distribuzione della temperatura nello spazio e nel tempo T = f(x,y,z,t) Per conduzione e convezione è fondamentale l equaz. di Fourier Per semplificarla si fanno di solito alcune semplificazioni : - regime stazionario, cioè distribuzione temp. indipendente dalla variabile tempo, nei casi reali abbastanza rara - materiali omogenei ed isotropi, anche qui rari - nella conduzione : superficie di estensione infinita e strato piano a facce parallele di spessore s = f(x) con conducibilità λ, si ottiene ipot. T 1 > T 2 : T = λ/s (T 1 T 2 ) ; T = T 1 + ((T 2 T 1 ) /s ) x

4 Conduzione in più strati piani : in serie (es. pareti o solai compositi) o in parallelo (es. par. composita e pilastro o trave) Analogia elettrica : - diff. di potenziale el. (V) = diff. di temp. (T o C) - intensità di corrente ( i in Amp) = flusso di calore in unità di tempo e per unità di sup. (q in W/m2) - resistenza elettr. = resistenza termica - In caso di strati piani : - Serie (es. parete composita Rt = (si / λi) ) - Parallelo (es. ponte term. Pilastro-parete Rt = 1 / (1/ (si / λi) ) - N.B. In strati non omogenei (es. matt. forati) : C (conduttanza termica)= 1/R

5 L involucro dell edificio L involucro dell edificio L involucro edilizio costituisce la superficie di controllo che delimita il sistema termodinamico edificio, ed ha la funzione di controllare i flussi di energia e massa al fine di garantire le condizioni di comfort negli ambienti confinati, di contenere i consumi energetici e gli impatti dell ambiente esterno. 1.componenti opachi (parete verticale) 1.componenti opachi (coperture, solai) 1.componenti opachi (attacco a terra) 2.ponti termici 3.componenti finestrati

6 Scambi termici : convezione ed irraggiamento + conduzione Dall interno verso l esterno Convezione naturale ed irraggiamento aria-parete interna Conduzione strati solidi Convezione naturale/forzata ed irraggiamento aria-parete esterna Coefficienti di adduzione o liminari (valori tabulati) Calcoli Regime stazionario o transitorio

7 Convezione : studio teorico abbastanza complesso, da cui si definisce un coeff. di convezione: h (W/m2 K) : valori indicativi : conv. forzata liquidi : , gas 100 conv. naturale : liquidi 10-50, gas 5-10 Irraggiamento termico : corpi neri (teorici, non esistono in pratica), grigi (in genere comprendono tutti i materiali usati in edilizia, ed anche il corpo umano), colorati (es. metalli a specchio, ecc..) Anche in tal caso si fanno semplificazioni, in ogni caso : 4 _ 4 Q = S (T 1 T 2 ). Cost. Boltzmann Con qualche semplificazione ed approssimazione ne nasce _ il coeff. di irragg. termico : Q = i (T 1 T 2 ) S Se in presenza di entrambe : a = h + i (coeff. liminare)

8 Le prestazioni dell involucro Componenti opachi Coefficiente di conduzione λ (W/mK) Conduttanza C (W/m 2 K) Densità ρ (kg/m 3 ) Calore specifico c p (J/kg K) Permeabilità al vapor d acqua δ (kg/m s Pa) Trasmittanza termica U (W/m 2 K) Ponti termici Coefficiente lineare di ponte termico ψ (W/mK) Componenti trasparenti Trasmittanza termica U w (W/m 2 K), Fattore solare g Inerzia termica

9 L'ENERGIA SOLARE 1.1 Caratteristiche L energia solare ci arriva a diverse lunghezze d onda che vanno dall ultravioletto ( micron ), al visibile ( micron ), e infine l infrarosso ( micron ). Fig.1 Spettro della radiazione solare L energia che parte dal sole non coincide però con quella che arriva a noi a terra, essa nel percorso subisce diverse perdite : sia ad opera dell atmosfera, sia ad opera di varie rifrazioni e assorbimenti. L'energia del sole si trasmette attraverso il fenomeno dell'irraggiamento, che, come noto avviene attraverso onde elettromagnetiche che non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, e quindi possono farlo anche nel vuoto. Gli effetti termici si hanno per lunghezze d'onda dell'ordine dei micron. Lo studio dell'energia solare si basa sulle leggi dell'irraggiamento: si noti come per i

10 Coefficiente di conduzione o conduttività termica λ (UNI 10351e UNI 12524) Rappresenta l energia che per conduzione attraversa nell unità di tempo lo spessore unitario del materiale per una differenza unitaria di t. Definisce univocamente l attitudine di un materiale, omogeneo e isotropo, a trasmettere il calore quando lo scambio avviene solo per conduzione. Funzione dello stato fisico del materiale, della temperatura, della densità, della posa in opera. λ è per materiali omogenei o assimilabili (W/mK) R = s/λ resistenza termica (m 2 K/W) almeno tre decimali λ < 0,065W/mK isolanti 0,09 <λ < 0,065 deb. isolanti λ > 0,09W/mK non isolanti

11 Coefficiente di conduzione o conduttività termica λ (UNI 10351e UNI 12524) UNI 10351: 1994 Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al vapore Valori da utilizzare quando non esistano norme specifiche per il materiale considerato λ m conduttività indicativa di riferimento, in laboratorio alla t=20 C m maggiorazione percentuale (t=20 C, UR=65%), tiene conto di contenuto percentuale di umidità, invecchiamento, costipamento. λ conduttività utile di calcolo UNI EN 12524: 2001 Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche - Valori tabulati di progetto λ conduttività termica di progetto

12 Conduttanza C (UNI UNI 7357 UNI 6946) Flusso di calore che in regime stazionario attraversa 1 m 2 di superficie di un materiale non omogeneo per una differenza unitaria di t. C è per materiali non omogenei o lame d aria non ventilate (W/m 2 K) R = 1/C (m 2 K/W) UNI 10355: 1994 Murature e solai. Valori della resistenza termica e metodo di calcolo Fornisce i valori delle resistenze termiche unitarie (laboratorio o calcolo) di tipologie di pareti e solai più diffuse in Italia. UNI EN ISO 6946:1999 Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e trasmittanza termica - Metodo di calcolo F=66% s=37cm s malta=1,2cm R=1,06 m 2 K/W F=76% s=24+4cm R=0,41 m 2 K/W

13 Densità o massa volumica ρ (kg/m 3 ) (UNI 10351e UNI 12524) Massa volumica del materiale secco. Usato come indice dell inerzia termica di un componente edilizio opaco. Calore specifico o capacità termica specifica c p (J/kg K) (UNI 12524) Quantità di calore da fornire, a pressione costante, all unità di massa del materiale per ottenere un aumento unitario di temperatura. Rappresenta un indice della capacità di un materiale di trattenere, accumulare il calore. Usato come un indice dell inerzia termica di un componente edilizio opaco.

14 Caratteristiche igrometriche (UNI UNI 12524) Permeabilità al vapore acqueo δ (kg/m s Pa) attitudine a trasmettere per diffusione il vapor d acqua contenuto nell aria Resistenza al flusso di vapore R v (m 2 s Pa/kg) si ottiene come rapporto tra lo spessore dello strato e la permeabilità del materiale R v = s/δ Coefficiente o Fattore di resistenza al passaggio del vapore µ Resistenza al passaggio del vapore riferita ad un uguale spessore d aria µ = δ aria in quiete / δ materiale

15 Caratteristiche igrometriche (UNI UNI 12524) UNI10351:1994 Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al vapore Valori da utilizzare quando non esistano specifiche tecniche per il materiale δ a permeabilità al vapore nell intervallo di UR 0 50% - campo asciutto (Glaser) δ u permeabilità al vapore nell intervallo di UR 50 95% - campo umido Per tenere in considerazione le effettive condizioni di esercizio dei materiali. UNI EN 12524:2001 Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche - Valori tabulati di progetto µ Fattore di resistenza al passaggio del vapore

16 Trasmittanza termica U (W/m 2 K) (UNI EN ISO 6946 UNI 7357) UNI EN ISO 6946:1999 Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e trasmittanza termica - Metodo di calcolo Serve per determinare la potenza scambiata per trasmissione dall ambiente interno a temperatura maggiore con l ambiente esterno o con ambienti interni a temperatura minore regime stazionario (W/m 2 K) T i > T e T i 1/α e CONV + IRRAG INTERNO 1/α i CONV + IRRAG ESTERNO T e α coefficiente di adduzione interna ed esterna (W/m 2 K) UNI EN ISO 6946:1999 UNI 7357: 1989 Calcolo del fabbisogno termico per il riscaldamento di edifici s 1 s 2 s 3 s 4 γ = fattore che tiene conto delle diverse esposizioni degli ambienti: SUD=1 S/O=+2 5% O e S/E =+5 10% N/O e E=+10 15% N e N/E =+15 20% s j /λ j COND

17 Trasmittanza termica U (W/m 2 K) (UNI EN ISO 6946 UNI 7357) UNI EN ISO 6946:1999 Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e trasmittanza termica - Metodo di calcolo La norma descrive un metodo per il calcolo della resistenza termica e della trasmittanza termica dei componenti e degli elementi per edilizia, escluse le porte, le finestre e le altre parti vetrate, i componenti che implicano uno scambio termico con il terreno ed i componenti percorsi dall'aria di ventilazione. Resistenza termica superficiale (m 2 K/W) I valori riportati sotto "orizzontale" si applicano a flussi termici inclinati fino a ± 30 sul piano orizzontale. R si =1/α i dove α i = adduttanza interna (W/m 2 K) R se =1/α e dove α e = adduttanza esterna (W/m 2 K)

18 Ponti termici (UNI EN ISO 14683) UNI EN ISO 14683: 2001 Ponti termici in edilizia Coefficiente di trasmissione termica lineica - Metodi semplificati e valori di riferimento Specifica metodi semplificati per la determinazione del flusso di calore attraverso i ponti termici lineari che si manifestano alle giunzioni degli elementi dell edificio. La UNI EN ISO definisce il PONTE TERMICO, come parte dell'involucro edilizio dove la resistenza termica, altrove uniforme, cambia in modo significativo per effetto di: - compenetrazione di materiali con conduttività termica diversa nell'involucro edilizio (tamponamento in mattoni con struttura in c.a.; attacco serramenti; giunti tra parete e pavimento o parete e soffitto); - discontinuità geometrica nella forma della struttura (es. angoli).

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