PRESTAZIONI TERMOFISICHE DELL INVOLUCRO EDILIZIO

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1 PRESTAZIONI TERMOFISICHE DELL INVOLUCRO EDILIZIO Fabio Sciurpi Simone Secchi Laboratorio di Fisica Ambientale Dipartimento TAeD, Via San Niccolò 93, Firenze - simone.secchi@unifi.it

2 Il sistema edificio - impianto 1. Edificio (involucro) 2. Impianto SISTEMA EDIFICIO - IMPIANTO

3 Quantità di calore in gioco Q T Q T Q S Q T Q T Q i Qi Q V QT Q P radiatore Q T = energia termica scambiata per trasmissione attraverso l involucro opaco, trasparente e i pt verso ambienti esterni e/o a T diversa (negativa o positiva) Q i = energia termica dovuta agli apporti interni gratuiti (positiva) Q S = energia termica dovuta agli apporti solari gratuiti (positiva) Q V = energia termica scambiata per ventilazione attraverso l involucro trasparente (negativa o positiva) Q P = energia fornita dai terminali dell impianto (positiva o negativa) -Q T + Q i + Q S -Q V + Q P = 0 Q T

4 L involucro dell edificio 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 (soffitto, pavimento) 1.componenti opachi (parete verticale) 2.ponti termici 3.componenti finestrati

5 Le prestazioni dell involucro Componenti opachi Coefficiente di conduzione λ (W/mK) Conduttanza C (W/m 2 K) Densità ρ (kg/m 3 ) Inerzia termica Calore specifico c p (J/kg K) Permeabilità al vapor d acqua δ (kg/m s Pa) Fattore di resistenza alla diffusione del vapore μ (-) Trasmittanza termica U (W/m 2 K)

6 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

7 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

8 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

9 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.

10 Inerzia termica L analisi del comportamento dell involucro opaco in regime dinamico tiene conto delle variazioni termiche che avvengono nel tempo (giorno-notte, ecc.) SMORZAMENTO = attenuazione dell ampiezza delle variazioni della temperatura superficiale interna rispetto a quella esterna; è tanto maggiore quanto maggiore è l isolamento termico (λ) SFASAMENTO = intervallo di tempo con cui le variazioni di temperatura esterna si trasmettono all interno; è tanto maggiore quanto maggiore è la capacità termica volumica della muratura (ρc p )

11 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

12 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

13 La verifica termoigrometrica delle strutture edilizie

14 Trasmittanza termica dei componenti opachi UNI EN ISO 6946:2008 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) 1/α i CONV + IRRAG 1/α e CONV + IRRAG α coefficiente di adduzione interno ed esterno (W/m 2 K) λ per materiali omogenei o assimilabili (W/mK) s j /λ j + 1/C j COND C per materiali non omogenei o lame d aria non ventilate (W/m 2 K)

15 Trasmissione del calore Q T (W) T i > T e T i INTERNO ESTERNO Q T T e s 1 s 2 s 3 s 4 - Potenza termica scambiata per trasmissione in regime stazionario legge di Fourier γ = fattore che tiene conto delle diverse esposizioni degli ambienti (UNI 7357): SUD=1 S/O=+2 5% O e S/E =+5 10% N/O e E=+10 15% N e N/E =+15 20% - Andamento delle temperature all interno della parete T n = T n-1 -Q T R n / S ( C)

16 Diffusione del vapore Φ (g/s) p vi > p ve T i p vi INTERNO p ve ESTERNO Φ T e s 1 s 2 s 3 s 4 - Flusso di vapore che attraversa la parete in regime stazionario legge di Fick Φ = Π S (Δp ) Π = permeanza (g/m² s Pa) S = superficie (m 2 ) Δp = differenziale pressorio (Pa)

17 Formazione di condensa Fenomeno che comporta la condensazione del vapore acqueo contenuto nell aria, quando questa subisce un raffreddamento a titolo costante fino ad arrivare alle condizioni di saturazione. condensa superficiale condensa interstiziale - strutture poco isolate (es. ponti termici) - strutture mal isolate (isolante malposizionato) - insufficienti ricambi d aria - eccessiva produzione di vapore ed alta UR negli ambienti La condensazione del vapor acqueo si verifica quando la pressione parziale (p v ) raggiunge la pressione di saturazione (p s è funzione della temperatura) o quando l aria viene a contatto con una superficie la cui temperatura è inferiore o uguale a quella di rugiada (t p t R )

18 Condensa Quando l aria viene a contatto con una superficie la cui temperatura è inferiore o uguale a quella di rugiada (t p t R ) 1 kcal = 4,186 kj t UR t R t p UR t p t R t

19 Condensa interstiziale Metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788) Verifica che le condensazioni interstiziali delle pareti opache sono limitate alla quantità rievaporabile Verifica del rischio di di condensa interstiziale su su base mensile Calcolo del quantitativo di di condensa che si si forma nel periodo invernale Verifica di di idoneità della struttura

20 Condensa interstiziale Metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788)

21 Condensa interstiziale Metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788)

22 Condensa interstiziale Metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788) Intervento 1 Disposizione verso il lato interno, degli strati a maggiore resistenza al passaggio del vapore (barriera al vapore polietilene s=0,3mm μ=40000)

23 Condensa interstiziale Metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788) Intervento 2 Cambiamento del materiale isolante con uno a minore permeabilità (poliuretano δ= kg/m s Pa)

24 Condensa interstiziale Metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788) Intervento 3 Cambiamento stratigrafia con isolante verso l esterno isolamento a cappotto

25 Le prestazioni dell involucro Componenti opachi Coefficiente di conduzione λ (W/mK) Conduttanza C (W/m 2 K) Densità ρ (kg/m 3 ) Inerzia termica 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)

26 Ponti termici UNI EN ISO 14683: 2008 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).

27 Ponti termici I principali effetti negativi dei ponti termici sono: -perdite di calore: fino al 20% del calore totale disperso da un ambiente -condensazione superficiale: t s <t r -formazione delle muffe: un ponte termico, a causa della contemporanea presenza di alta UR e bassa temperatura, crea le condizioni ideali per la formazione di muffe -danni alla superficie: le variazioni cicliche della t s polverizzazione dei materiali della struttura causano una - diminuzione del comfort abitativo: quando la t s interna di una parte dell involucro (parete, pavimento ) è inferiore di almeno tre gradi rispetto alla temperatura dell ambiente si avverte una sensazione di disagio in prossimità di tale superficie.

28 Ponti termici Ponti termici Rappresentano disuniformità di flusso termico dovuto alla forma geometrica (angoli.) o a confluenza di materiali con prestazioni termiche diverse (strutture puntiformi.). La variazione dei flussi termici conduce a una maggiore dispersione di calore e alla modifica della t s interna con conseguenti t s interne minori, con possibile formazione di condensa superficiale.

29 Locale Camera Umidità da ponte termico negli spigoli alti della parete esterna

30 Tipologie di ponti termici in edilizia (UNI EN ISO 14683) I ponti termici possono essere: 1. lineari: ponte termico con una sezione trasversale uniforme in una direzione; 2. puntuali: ponte termico che non presenta sezioni trasversali uniformi in nessuna direzione. Gf R B C F IW P W Gf Legenda coperture Balconi Angoli Pavimenti Pareti interne Pilastri Serramenti Solaio a terra

31 Calcolo delle dispersioni dai ponti termici Zona corrente (isoterme parallele) Zona ponte termico Assumono importanza tanto più rilevante quanto più elevata è ΔT e tanto più termicamente isolate sono le zone correnti. Il problema del calcolo delle dispersioni si risolve aggiungendo una dispersione artificiale concentrata lungo le linee di discontinuità. Il flusso termico disperso da un ponte termico è caratterizzato da: lunghezza del ponte termico L (m) coefficiente lineare di ponte termico Ψ (tabulato) (W/mK)

32 Le diverse tipologie di ponti termici vengono valutate con riferimento a quattro differenti possibili posizioni dello strato isolante (lo strato con maggiore resistenza termica): sul lato esterno; Atlante dei ponti termici UNI nella parte intermedia; sul lato interno; uniformemente distribuito nella struttura.

33 Zona corrente Isolamento dall interno Isolamento dall interno = rivestire internamente l involucro con un isolante Rapidità di messa a regime, perché non è necessario riscaldare tutta la massa per raggiungere condizioni di regime Nessun immagazzinamento del calore (annullamento inerzia) Rischi di condensazione all interno della muratura uso di barriera al vapore sulla faccia calda dell isolante Ponti termici condensa (temperatura di rugiada) muffe

34 Zona corrente Isolamento a cassetta Muratura a cassetta = interporre all interno della cassetta formatasi dai due elementi di massa specifica elevata un prodotto isolante associato anche ad uno strato d aria; prevalentemente associata a strutture in c.a. Isolamento in intercapedini Rapidità di messa a regime, perché non è necessario riscaldare tutta la massa per raggiungere condizioni di regime Scarsa inerzia Rischi di condensazione all interno della muratura uso di barriera al vapore sulla faccia calda dell isolante Ponti termici necessità attento studio dei nodi critici

35 Zona corrente Isolamento a cappotto esterno Isolamento a capotto esterno = rivestire completamente l involucro con un prodotto isolante posto in opera senza soluzione di continuità; può essere associato sia a strutture in c.a. che in acciaio (tecnologie S/R). Schermo avanzato anche ventilato Eliminazione dei ponti termici Riduzione carichi estivi, smaltire calore. Eliminazione fenomeni di condensazione superficiale ed interstiziale Massimo sfruttamento della massa termica della muratura con conseguenti valori maggiori della temperatura di parete Buon comportamento in regime dinamico (alta inerzia strutture pesanti)

36 Zona corrente Isolamento distribuito Isolamento distribuito = muratura omogenea monostrato Eliminazione fenomeni di condensazione interstiziale Sfruttamento della massa termica della muratura Buon comportamento in regime dinamico (alta inerzia strutture pesanti) Ponti termici condensa (temperatura di rugiada) muffe

37 Atlante dei ponti termici UNI Nodo tra parete esterna e solai di copertura

38 Atlante dei ponti termici UNI Nodo tra parete esterna e solai di copertura

39 Atlante dei ponti termici UNI Angoli tra pareti esterne

40 Atlante dei ponti termici UNI Nodo tra pareti esterne e solai interpiano

41 Atlante dei ponti termici UNI Nodo tra pareti esterne e pareti interne

42 Atlante dei ponti termici UNI Nodo tra pareti esterne e pilastri

43 Atlante dei ponti termici UNI Nodo tra pareti esterne e serramenti di porte e finestre

46 Attenzione ai ponti termici!! Per una struttura isolata ai limiti del 2010 le dispersioni attraverso le zone correnti della muratura sono confrontabili con quelle attraverso i ponti termici: Esempio zona D copertura piana di 100 m² con U 2010 = 0.32 W/m²K Q T = 0.32 *100 * 20 = 640 W Q PT = 0,65 * 40 m * 20 = 520 W Pari a circa l 81% di Q T!!!!!!!!!!!!

47 Strategie di riduzione dei ponti termici o Tipologia di isolamento a cassetta: o Strategia 3: riduzione ponti termici con isolante

48 Controllo Ponti termici/1 Principali tipologie di p.t. che possono fortemente influire sul comportamento termico della struttura (UNI EN ISO 14683/2001) 3. Cassonetto/Infisso 1. Solaio/Pilastro T=10 C T=17 C 2. Balcone

49 Controllo Ponti termici/5 Montaggio di opportuni sistemi di schermature solari esterni per il controllo del surriscaldamento per irraggiamento in regime estivo.

50 Le prestazioni dell involucro Componenti opachi Coefficiente di conduzione λ (W/mK) Conduttanza C (W/m 2 K) Densità ρ (kg/m 3 ) Inerzia termica 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 telaio U f (W/m 2 K) Trasmittanza termica vetro U g (W/m 2 K) Trasmittanza termica infisso completo U w (W/m 2 K) Fattore solare g

51 Componenti finestrati di involucro Attraverso le superfici vetrate in regime invernale avvengono due modalità di scambio di calore: Perdita di calore dall interno verso l esterno Apporto di energia dall esterno verso l interno U w g

52 Trasmittanza termica U dei componenti finestrati di involucro (UNI EN ISO : 2002) U g = trasmittanza vetrata U W Ψ g = trasmittanza distanziatore U f = trasmittanza telaio U W = ( A g U g + A f U f + I g Ψ g )/(A g + A f ) (W/m²K)

53 Trasmittanza termica U del vetro Vetro semplice λ= 1 W/mK U g = 6 W/m²K Doppio vetro unito al perimetro (4-6-4) λ= 0,025 W/mK U g = 3,3 W/m 2 K Doppio vetro con altri gas ( con Argon) U g = 2,6 W/m 2 K Doppio vetro con vetri bassoemissivi (4 e= ) U g =2,1 W/m 2 K (4 e=0.2-12a-4) U g =1,7 W/m 2 K Triplo vetro ( ) U g = 1,9 W/m 2 K

54 Trasmittanza termica U del telaio Telai con taglio termico (listelli di poliammide) U f 2,7 3 W/m²K Telai in PVC U f 2,0 (PVC con profilo vuoto) 2,8 W/m²K (con anima di metallo) U f Telai in legno 1,9 2,3 W/m²K Telai PVC, legno a taglio termico o schiumati U f =0,7 0,8W/m 2 K

55 Fattore solare g (UNI EN 410: 2000) L energia solare trasmessa g (o fattore solare) è il rapporto tra il flusso totale di energia che attraversa un componente trasparente e il flusso incidente sullo stesso; è una grandezza adimensionale. Vetrata antisolare riflettente TL = 18 % g = 22 % U g = 2,4 W/m²K Trattamento in faccia 2

56 Le zone climatiche italiane

57 I gradi giorno

58 Zone climatiche e gradi giorno

59 Zone climatiche e gradi giorno

60 Dati climatici

61 Radiazione solare

62 Componenti opachi - coperture Isolamento sotto il manto = non risolve l isolamento dal caldo estivo (diminuzione caratteristiche di isolamento del pacchetto). Tetto ventilato = la camera di ventilazione consente di smaltire rapidamente il calore accumulato dagli strati superficiali del tetto impedendone la trasmissione verso l interno. Tetto verde = permette di ridurre l escursione termica cui viene sottoposta la copertura e di aumentare l inerzia termica della stessa (spessore terra)

63 Il Decreto Legislativo 192/2005 e s.m.i.

64 Principali verifiche da rispettare negli interventi edilizi ai sensi del D.Lgs. 192/2005 e s.m.i. (Allegato I) (Sintesi proposta da ANIT

65 Tipologie di strutture da utilizzare nel rispetto del D.lgs 192/2005 e smi Il Decreto 192/2005 introduce la verifica dei seguenti parametri: Componenti opachi verticali ed orizzontali (pavimenti e coperture) verifica trasmittanza termica verifica formazione di condensa superficiale ed interstiziale verifica capacità inerziale controllo ponti termici Componenti finestrati verifica trasmittanza termica componente globale verifica trasmittanza termica vetro I valori indicati come riferimento sono articolati in tre fasce temporali: valori da adottare dal 1 gennaio 2006 valori da adottare dal 1 gennaio 2008 valori da adottare dal 1 gennaio 2010

66 Vetrata selettiva basso-emissiva 2.70 Pareti esterne U valori limite All. C

67 Coperture U limiti All. C Pareti di separazione tra alloggi U 0.8 W/m2K 2.70 Solai verso locali non riscaldati U limiti All. C

68 La verifica dei componenti di involucro Regime invernale Valori di trasmittanza U ( W/m 2 K) limite per l involucro al 2006, 2008 e 2010 (UNI 6946) Verifica dell assenza di condensazioni superficiali e verifica che le condensazioni interstiziali delle pareti opache siano limitate alla quantità rievaporabile secondo la normativa vigente (UNI 13788) All. I, comma 8

69 Le chiusure trasparenti richiedono due verifiche 2010 U g U w Ad Ad esempio nel nel zona zona D U g g 1,9 1,9 W/m²K W/m²K U w w 2,4 2,4 W/m²K W/m²K

70 Regime estivo D.Lgs 192/2005 e s.m.i. Allegato I

71 L inerzia termica inerzia termica DPR 59 del 2/4/2009 Attuazione dell art.4, comma 1, lettere a) e b) del D.Lgs. 192/2005 e s.m.i.

72 D.lgs lgs. 192/2005 e s.m.i. La verifica dei componenti di involucro - massa superficiale In funzione dell irradianza media sul piano orizzontale nel mese di massima insolazione estiva (I m,s ) le principali località climatiche sono catalogate per la verifica della massa superficiale Per FIRENZE il valore dell irradianza I m,s = 296 W/m 2 impone la verifica della massa o di condurre una verifica delle prestazioni inerziali della parete (sfasamento in ore dell onda termica UNI EN ISO 13786:2008 Prestazione termica dei componenti per edilizia. Caratteristiche termiche dinamiche Metodo di calcolo )

73 D.lgs lgs. 192/2005 e s.m.i. La verifica dei componenti di involucro - massa superficiale La massa superficiale di un componente opaco si calcola con il seguente algoritmo (kg/m 2 ) dove: ρ è la massa volumica dello strato i- esimo (materiale secco) che fa parte del componente, espressa in kg/m 3 (UNI UNI EN 1745) s è lo spessore dello strato i-esimo che fa parte del componente, espresso in m la sommatoria Σ deve comprendere tutti gli strati ad esclusione degli intonaci

74 Indice di inerzia: trasmittanza termica periodica DPR 59 del 2/4/2009 Attuazione dell art.4, comma 1, lettere a) e b) del D.Lgs. 192/2005 e s.m.i. Trasmittanza termica periodica Y IE (W/m2K) E il parametro che valuta la capacità di una parete opaca di sfasare ed attenuare il flusso termico che la attraversa nell arco delle 24 ore, definita e determinata secondo le norme UNI EN ISO 13786:2001 e successivi aggiornamenti. I dati richiesti per calcolare le caratteristiche termiche dinamiche sono: - coefficiente di conduzione termica λ (W/mK) -densitàρ (kg/m3) - calore specifico c p (J/kg K)