ANALISI NUMERICA DI TELAI PER INFISSI AD ELEVATA RESISTENZA TERMICA. Giorgio Baldinelli 1. Tel.: 075/ ;

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1 ANALISI NMERICA DI TELAI PER INFISSI AD ELEVATA RESISTENZA TERMICA Giorgio Baldinelli 1 1 niersià degli Sudi di Perugia - Diparimeno di Ingegneria Indusriale, Via G. Durani 67, Perugia. Tel.: 075/ ; baldinelli.unipg@ciriaf.i SOMMARIO L emanazione dei receni decrei legislaii sul risparmio energeico degli edifici, in oemperanza alle Direie Europee e agli obieii fissai dal Proocollo di Kyoo, impone limii sempre più sringeni per la rasmianza ermica delle superfici eserne (opache e raspareni) degli edifici sessi. Per gli infissi, in paricolare, i requisii di isolameno ermico richiesi hanno raggiuno lielli così eleai da rendere necessaria una paricolare aenzione non solo alle caraerisiche ermofisiche dei componeni raspareni e alla sruura principale dei elai ma anche ad aspei apparenemene secondari quali, ad esempio, la scela dei disanziaori nelle erae doppie o riple e l accoppiameno geomerico fra superficie rasparene e elaio. L analisi numerica, eseguia ai sensi della NI EN ISO con un codice di calcolo per analisi ermofluidodinamiche su alcuni elai di un infisso-piloa, mosra come anche limiae ariazioni della geomeria, o la scela di maeriali diersi per i disanziaori, pori a sensibili modifiche del campo ermico nel elaio, con consegueni significaie ariazioni dei alori di rasmianza ermica dell inero infisso, ed arriando a anificare gli sforzi spesi per oimizzare le pari che occupano la maggior pare della superficie dell infisso sesso. INTRODZIONE La Direia Europea 2002/91/E [1] ed i receni decrei auaii emanai nel nosro paese [2 e 3] hanno ridefinio in modo radicale i requisii presazionali minimi del sisema edifico-impiano nel campo delle cosruzioni. Per quano concerne i parameri di isolameno dell inolucro sono sai imposi nuoi alori limie per la rasmianza ermica delle sruure opache e raspareni, ericali e orizzonali, in funzione delle zone climaiche in cui i nuoi edifici saranno ubicai. Per le localià più fredde, le superfici erae e le finesre complee deono garanire alori di resisenza ermica raggiungibili solano araerso una progeazione ed una esecuzione aena a ui i componeni dell infisso. E perano necessario porre la giusa aenzione non solo alle caraerisiche ermofisiche dei eri e della sruura principale dei elai ma anche ad aspei apparenemene secondari quali la scela dei disanziaori nelle erae e l accoppiameno geomerico fra superficie rasparene e elaio. Lo scopo principale del disanziaore consise nel manenere l inercapedine d aria ra i pannelli dei eri doppi o ripli, olre a cosiuire il coneniore di sosanze igroscopiche quali, ad esempio, gel di silice, per preenire la formazione di condensa [4]. I disanziaori sono realizzai generalmene in alluminio e sono disponibili in dierse arieà geomeriche e finiure superficiali. D alra pare, però, il direo conao ra ale componene e le superfici erae e da qui all ambiene eserno cosiuisce eidenemene un pone ermico che può compromeere significaiamene la presazione dell infisso. E saa implemenaa un analisi numerica ai sensi delle NI EN ISO /2 [5 e 6] per aluare l influenza della presenza del disanziaore sulla rasmianza complessia di un infisso ipo. Le simulazioni sono sae ripeue al ariare della geomeria e del maeriale con cui è realizzao il disanziaore. TELAI E SPERFICI TRASPARENTI PER INFISSI: SOLZIONI PROGETTALI I elai degli infissi sono realizzai nella maggior pare dei casi in legno, alluminio e maerie plasiche [7]. L alluminio ha oime proprieà meccaniche, è leggero, può essere facilmene modellao per esrusione e richiede scarsa manuenzione. D alro cano l eleaa conducibilià ermica (160 W/(m K) [6]) ne penalizza le proprieà di isolameno; infai, per oiare a ale inconeniene, il flusso di calore iene ridoo araerso l inserimeno di maeriali plasici ra i pannelli, realizzando il cosiddeo aglio ermico. I elai in legno presenano allo sesso modo soddisfaceni caraerisiche sruurali, insieme a oime capacià di isolameno ermico (0.18 W/(m K), per il legno duro [6]). Tuaia, un elaio ligneo richiede una manuenzione considereole, come, ad esempio, una erniciaura periodica per la proezione dall umidià, dalle fessurazioni e dalle deformazioni. Il maeriale più comune per gli infissi realizzai in maerie plasiche è il PVC, che presena proprieà ermiche simili al legno (conducibilià pari a 0.17 W/(m K) [6]) ma che non garanisce le sesse caraerisiche di resisenza meccanica, limiando così le dimensioni del elaio e il peso delle superfici erae che possono essere sosenue. Per quano concerne le proprieà di isolameno ermico della sruura rasparene, radizionalmene l aspeo più debole che caraerizza l elemeno finesrao, la ricerca si è siluppaa passando dal ero semplice al doppio ero, ai riesimeni seleii applicai direamene alle superfici

2 erae, ai maeriali innoaii (aerogel, honeycomb) e ai eri elerocromici [8, 9 e 10]. In abella 1 sono riporai, a iolo di esempio, i alori di rasmianza ermica di alcuni infissi commerciali con doppio ero ed inercapedine in argon, con elai realizzai in maeriali diersi. Tab. 1. Valori di riferimeno della rasmianza per infissi conenzionali. Telaio Spessori (mm) f (W/(m 2 K)) Legno [11] Legno-alluminio [12] PVC [13] L pbp = (2) b in cui b p e b rappresenano rispeiamene la proiezione del pannello isolane e del elaio erso l eserno. La rasmianza ermica lineare della giunzione iene aluaa araerso l analisi compuazionale della sezione complea delle superfici raspareni e del disanziaore (figura 2), ricaandone la conducibilià ermica bidimensionale L g. CALCOLO DELLA TRASMITTANZA DEGLI INFISSI E DEI TELAI: RIFERIMENTI NORMATIVI Le presazioni ermiche degli infissi possono essere oenue per ia sperimenale o numerica; nel primo caso la normaia [14] preede il calcolo dell isolameno ermico in laboraorio araerso il meodo della camera calda. La rasmianza può anche essere calcolaa per ia compuazionale [5 e 6] a parire dalle proprieà geomeriche e ermofisiche dei maeriali che cosiuiscono gli infissi. La rasmianza ermica complessia di un infisso è aluaa araerso la relazione seguene: + A A A + lψ f = (1) + A I alori di rasmianza delle superfici raspareni sono di norma cerificai dalle die cosrurici dei pannelli; in assenza di ali dai, in [5] sono fornii alcuni alori di riferimeno in funzione del ipo di eraa e dello spessore delle inercapedini. E possibile oenere direamene da [5] anche le caraerisiche del elaio ( ) e della rasmianza ermica lineare y doua agli effei ermici combinai della eraa, del disanziaore e del elaio in funzione dei maeriali uilizzai nel elaio sesso e del ipo di ero uilizzao. La casisica ricopera dalla norma è però ineiabilmene grossolana e limiaa solo ad alcune geomerie e a un numero ridoo di maeriali; se si ricerca una sima più accuraa dei due parameri o se si uole analizzare il comporameno di alri maeriali non riporai nella norma sessa, si dee fare ricorso al meodo numerico descrio nella NI EN ISO Scegliendo ale soluzione, si procede dapprima con il calcolo della rasmianza del elaio, sosiuendo alla superficie rasparene un pannello isolane di conducibilià pari a W/(m K) e di lunghezza isibile minima pari a m (figura 1). Fig. 1. Schema per il calcolo della rasmianza del elaio. Si calcola dunque per ia numerica la conducibilià bidimensionale di ale sezione L e quindi con l espressione che segue: Fig. 2. Schema per il calcolo della rasmianza della giunzione. Noa L g, la rasmianza ermica lineare si oiene secondo la relazione: ψ = L b b (3) g doe b rappresena la proiezione della superficie rasparene erso l eserno. DESCRIZIONE DELL INFISSO OGGETTO DELLE SIMLAZIONI L infisso oggeo dell analisi è una finesra a due ane, con elaio in alluminio a aglio ermico (figura 3). Fig. 3. Infisso oggeo delle simulazioni. Nella sezione del elaio (figura 4) il maeriale plasico che separa fra loro le pari in alluminio e che garanisce la disconinuià con la superficie eraa è cosiuio da sei colonne in poliammide e da guarnizioni in eilene propilene diene monomero (EPDM). La superficie rasparene è realizzaa secondo la seguene sraigrafia: ero floa da m; inercapedine di gas argon da mm; ero sraificao composo da due lasre di ero floa (di cui una basso emissia) separae da un film di poliinilbuirrale; spessore oale m. La rasmianza complessia della pare eraa è saa consideraa pari a W/(m 2 K), nel rispeo dei limii massimi in igore dal 1 gennaio 2008 secondo quano riporao nel D.L. 311/06 [3] per la zona climaica più fredda

3 del nosro paese (zona F). Le dimensioni complessie dell infisso sono sae scele in base alle misure sandard dei campioni riporae nelle norme relaie alle pore e alle finesre [14 e 15]: m di larghezza e m di alezza. EN ISO Il dominio di calcolo è sao suddiiso in circa 30,000 celle riangolari per ue le simulazioni, con un paricolare infiimeno della griglia in corrispondenza della zona di aacco elaio-pannello (figura 6). n uleriore raffinazione della griglia (1,500,000 celle complessie) ha porao a ariazioni dei risulai inferiore al puno percenuale, perano, al fine di oimizzare i empi di calcolo, si è manenua la suddiisione a maglie più larghe. alluminio poliammide EPDM aria Fig. 4. Maeriali che cosiuiscono il elaio. Per ciò che concerne i disanziaori, l analisi si è siluppaa su re dierse ipologie (figura 5): a) alluminio riempio di gel siliconico; b) alluminio con aglio ermico; c) schiuma siliconica a bassa densià. RISLTATI Fig. 6. Mesh nel bordo di aacco ero-elaio. Le simulazioni eseguie sul elaio hanno definio un alore della rasmianza ermica pari a W/(m 2 K). Per quano concerne la rasmianza ermica lineare del collegameno elaio-eraa-disanziaore, i risulai per le re configurazioni di figura 5 sono riporai in abella 2. Fig. 5. Configurazione geomerica dei disanziaori. DESCRIZIONE DELLE SIMLAZIONI L analisi numerica è saa eseguia araerso il codice di calcolo Fluen [16]; le arie pari che cosiuiscono il elaio hanno ue la medesima sezione (la pare cenrale non è alro che l accoppiameno speculare delle pari laerali) perano, il calcolo della rasmianza è sao eseguio solo per la sezione di figura 4. Gli scambi ermici all inerno del elaio sono considerai di ipo conduio, comprese le zone occupae dalle inercapedini d aria per le quali è saa aluaa una conducibilià ermica equialene in funzione della geomeria e dell orienameno rispeo alla direzione del flusso ermico [6]. Le condizioni al conorno impose alle superfici di froniera sono riassune di seguio [5]: superfici a conao con l ambiene eserno: scambio ermico coneio con ambiene a 273 K e coefficiene di scambio pari 25.0 W/(m 2 K); superfici a conao con l ambiene inerno: scambio ermico coneio con ambiene a 293 K e coefficiene di scambio pari 7.7 W/(m 2 K); superfici laerali: assenza di scambi ermici (adiabaiche); caià enilae o non enilae; scambio ermico conduio in accordo con quano riporao nella NI Tab. 2. Trasmianza ermica lineare per i diersi disanziaori. Tipologia disanziaore Trasmianza ermica lineare y [W/(m K)] Alluminio + gel siliconico Alluminio con aglio ermico Schiuma siliconica E eidene come le ariazioni di y risulino significaie sosiuendo il maeriale con cui è realizzao il disanziaore, pur rimanendone inalerao l ingombro complessio. Il risulao complessio roa risconro anche nell analisi del campo ermico all inerno dell infisso in uscia dal codice di calcolo. In figura 7 sono riporai i grafici delle emperaure inerne della finesra, con i re diersi disanziaori. Focalizzando l aenzione sulla pare superiore dell accoppiameno ero-elaio, si noa come ale superficie risuli sempre più icina alla emperaura dell ambiene eserno (273 K) all aumenare della capacià di isolameno del disanziaore, con conseguene diminuzione dello scambio ermico. Nel primo caso, infai, l alluminio cosiuisce l unico elemeno dell infisso che mee in comunicazione direa i componeni solidi cosiuii dalle parei erae inerne ed eserne, dando ia al più classico dei poni ermici. Con la

4 Disanziaore in alluminio e gel siliconico Disanziaore in alluminio con aglio ermico Disanziaore in schiuma siliconica Fig. 7. Temperaure all inerno dell infisso (K) al ariare del disanziaore.

5 seconda e con la erza soluzione, si inroduce una disconinuià che aenua il flusso di calore, con efficacia crescene in maniera inersamene proporzionale alla conducibilià ermica del maeriale con cui è realizzao il aglio ermico del disanziaore. Resa da aluare l influenza delle re scele progeuali sulla rasmianza ermica complessia dell infisso. In abella 3 sono riporai i alori di ale paramero, insieme con il limii massimi di rasmianza per chiusure raspareni in igore dal 1 gennaio 2008 [3] per la zona climaica più fredda del nosro paese (zona F). Tab. 3. Trasmianza dell infisso al ariare del disanziaore. Disanz. Alluminio + gel Alluminio aglio ermico Schiuma siliconica eri elaio infisso D.L. 311/ Si noa come, nei primi due casi, nonosane le superfici raspareni rienrino come già iso precedenemene nei limii legislaii di rasmianza e quanunque il elaio fornisca presazioni soddisfaceni grazie al sisema a aglio ermico, i disanziaori anificano gli sforzi fai sul reso degli infissi. Con la erza soluzione, al conrario, con il semplice uilizzo di un disanziaore ad eleae caraerisiche isolani, si oiene un infisso che, pur risulando meno performane delle finesre in legno o in PVC riporae in abella 1, è in grado di soddisfare le esigenze più sringeni per qualsiasi zona climaica del nosro paese. CONCLSIONI E saa effeuaa l analisi numerica bidimensionale su un infisso-piloa per aluare l influenza del collegameno elaioeraa-disanziaore sulla rasmianza complessia della finesra. Negli ulimi anni, infai, lo siluppo ecnologico ha inesio le pari più esese degli infissi quali le superfici raspareni ed i elai. Il raggiungimeno di sandard qualiaii eleai per ali componeni non è però di per sé garanzia dell oenimeno di un risulao soddisfacene sull isolameno complessio del sisema. I risulai delle simulazioni hanno di fao eidenziao come, diminuendo la rasmianza dei eri e dei elai, il peso relaio del disanziaore assuma un imporanza sempre maggiore. Nell infisso oggeo dello sudio in paricolare, è emerso come la scela del disanziaore cosiuisca il discriminane fra il rispeo o meno dei limii massimi di rasmianza imposi dalle normaie aualmene in igore. E perano fondamenale, per i cosruori degli infissi, porre paricolare cura a ale componene per non anificare i ben più eleai sforzi ecnici ed economici sosenui per oimizzare ue le resani pari delle superfici finesrae. SMMARY During las years, he Kyoo Proocol requiremens and he need o comply wih he European Direcie 2002/91/E, produced a group of Ialian Legislaie Decrees issues on energy saing for buildings. Wihin his conex, new limis for he hermal ransmiance of he exernal enelope surfaces (opaque and ransparen) are fixed. The hermal insulaion requiremens for ransparen surfaces, in paricular, reached leels so high ha eery par of he window now needs an accurae design, saring from glasses and frames bu exending he aenion een o oher secondary elemens such as glass spacers and geomeric coupling beween frame and glasses. A numerical analysis on a prooype window is execued according o NI EN ISO ; i is showed how minor geomeric ariaions or he choice of differen maerials for he spacers brings o subsanial changes on he frame hermal field. The consequence consiss of a significan ariaion of he hermal ransmiance for he enire window, so making useless all effors done for he opimizaion of he pars ha occupy he wider surface of he window iself. NOMENCLATRA A: area m 2 b: proiezione erso l eserno m l: lunghezza inerfaccia ero-elaio m L: conducibilià bidimensionale W/(m K) : rasmianza ermica W/(m 2 K) Simboli greci y: rasmianza ermica lineare W/(m K) Apici : bidimensionale Pedici f: finesra g: giunzione : elaio : ero RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 1. Direia n 91 del Parlameno europeo e del consiglio sul rendimeno energeico nell'edilizia, 16 dicembre Decreo Legislaio n 192, Auazione della direia 2002/91/CE relaia al rendimeno energeico nell'edilizia, 19 agoso Decreo Legislaio n 311. Disposizioni correie ed inegraie al decreo legislaio 19 agoso 2005, n. 192, recane auazione della direia 2002/91/CE, relaia al rendimeno energeico nell'edilizia, 29 dicembre S.-Y. Song, J.-H. Job, M.-S. Yeob, Y.-D. Kimb and K.- D. Song, Ealuaion of inside surface condensaion in double glazing window sysem wih insulaion spacer: A case sudy of residenial complex, Building and Enironmen, ol. 42, pp , NI EN ISO , Presazione ermica di finesre, pore e chiusure oscurani - Calcolo della rasmianza ermica - Pare 1: Generalià, NI EN ISO , Presazione ermica di finesre, pore e chiusure Calcolo della rasmianza ermica Meodo

6 numerico per i elai, Y. Fang, P.C. Eames, T.J. Hyde, B. Noron, Complex mulimaerial insulaing frames for windows wih eacuaed glazing, Solar energy, ol. 79, pp , M. Moeck, E. Lee, M. Rubin, R. Sullian, S. Selkowiz, Visual qualiy assessmen of elecrochromic and conenional glazings, Solar Energy Maerials and Solar Cells, ol. 54, pp , J. Karlsson, B. Karlsson, A. Roos, Conrol sraegies and energy saing poenials for ariable ransmiance windows ersus saic windows, Proc. of Eurosun, Copenhagen, Denmark, F. Asdrubali, F. Bisegna, Experimenal Glass Opical Daa o Build up New Mulishee Glazing Sysems o Improe Energy Saings and Indoor Comfor. Proc. of LuxAmerica 2004, 7h Pan American Lighing Congress. Lima, Perù, NI EN ISO , Isolameno ermico di finesre e pore Deerminazione della rasmianza ermica con il meodo della camera calda Finesre e pore complee, NI EN , Finesre e pore Norma di prodoo, caraerisiche presazionali Pare 1 : Finesre e pore eserne pedonali senza caraerisiche di resisenza al fuoco e/o enua al fumo, Fluen Version ser s Guide. SA; 2005.