PONTI TERMICI DISPERDIMENTI E TECNOLOGIE. di: Enrico De Angelis, Andrea Giovanni Mainini dipartimento BEST - POLITECNICO DI MILANO

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1 PONTI TERMICI DISPERDIMENTI E TECNOLOGIE di: dipartimento BEST - POLITECNICO DI MILANO

2 Cosa sono i ponti termici 2 Il concetto di ponte termico si introduce per due motivi: QUALITATIVO: per indicare le parti dell involucro in cui si ha un FORTE DISPERDIMENTO di calore, a parità di differenza di Temperatura QUANTITATIVO: per ricordare che i disperdimenti tra due ambienti a temperatura costante possono essere stimati con le TRASMITTANZE TERMICHE PIANE se e solo se le superfici che separano i due ambienti sono piane e, anche in corrispondenza dei bordi non vi è alcuna modifica delle linee di flusso

3 I ponti termici: un problema doppio: 3 Il problema del termotecnico, in senso stretto, è determinare i disperdimenti (da cui fabbisogno e carichi termici) in maniera corretta: Il calcolo dei disperdimenti si continua a fare con le trasmittanze termiche piane Poi queste vengono corrette o si corregge il risultato aggiungendo i contributi dei ponti termici (che altro non solo che fattori di correzione delle imprecisioni dovute alla sottostima o sovrastima dei flussi in corrispondenza dei punti singolari) o delle reti di distribuzione. Il problema del progettista edile è concepire (e far realizzare) involucri che minimizzino il peso dei problemi causati dai ponti termici: Incremento locale dei flussi termici (e quindi dei disperdimenti) Eterogeneità delle temperature superficiali (e rischi di condensazione o condensazione differenziata)

4 I ponti termici (qualitativamente parlando) 4 Sono essenzialmente delle discontinuità delle prestazioni di isolamento o, meglio, le zone in cui il flusso termico specifico è superiore. Può succedere per: Eterogeneità di forma angoli (le pareti si articolano fra loro nello spazio tridimensionale per delimitare gli ambienti definendo angoli) rientranze, lesene Eterogeneità di struttura disomogeneità di conduttività nei componenti: pilastri in calcestruzzo all interno di murature in laterizi, camere d aria, giunti di malta

5 Altri ponti termici apparenti : moti convettivi 5 Non è un problema molto diffuso con le nostre tecnologie ma più si isola più è importante tenere sotto controllo la permeabilità degli strati e i possibili moti convettivi interni. Di solito di questi si tiene conto peggiorando le caratteristiche di conduttività dei materiali

6 Altri ponti termici apparenti 6 Dove ci sono variazioni delle condizioni al contorno, tipicamente in corrispondenza dei terminali dell impianto di riscaldamento (ma anche delle tubazioni), c è un aumento del flusso rispetto a condizioni standard.

7 Altri ponti termici puntuali 7 I ponti termici prodotti dai fissaggi puntuali sono così piccoli (ma non trascurabili!) da venire solitamente considerati direttamente nel calcolo delle trasmittanze piane (vedere UNI EN ISO 6946)

8 Copertura 8 Un altro punto critico per elementi strutturali e per attraversamenti impiantistici (almeno i pluviali, nelle coperture piane)

9 I problemi dei ponti termici 9 I problemi indotti dall eterogeneità del flusso sono di quattro tipi: Aumento del flusso energetico (non necessariamente significativo) Riduzione della temperatura superficiale delle parti interne dell involucro e formazione di condensa superficiale Riduzione della temperatura interna ad una parete, solaio, copertura confinante con l esterno e formazione di condensa interstiziale Variazione (aumento in certi punti) della temperatura superficiale esterna

10 Condensa superficiale 10 Significa crescita di muffe e degrado delle finiture.

11 11

12 La convenzione della trasmittanza lineare 12 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Ambiente 1 materiale A Ambiente 2 materiale B

13 La convenzione della trasmittanza lineare 13 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Se la conduttività dei materiali A e B è la stessa, la parete si comporta come una parete omogenea: Ambiente 1 materiale A Le linee di flusso sono parallele Ambiente 2 materiale B

14 La convenzione della trasmittanza lineare 14 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Se la conduttività dei materiali A e B è la stessa, la parete si comporta come una parete omogenea: Ambiente 1 materiale A Le linee di flusso sono parallele Le isoterme sono parallele Ambiente 2 materiale B

15 La convenzione della trasmittanza lineare 15 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Se la conduttività dei materiali A e B è diversa, allora linee di flusso e isoterme sono soggette a deviazioni come le seguenti (λ A <λ B ) Ambiente 1 Ambiente 2 materiale B materiale A

16 La convenzione della trasmittanza lineare 16 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Confrontiamo il flusso calcolato trascurando il ponte termico Φ nopt con quello calcolato correttamente Φ pt Se la differenza tra i due può essere riportata ad una qualche quantità... per esempio: se l eterogeneità si sviluppa uniformenente in sezione, posso correlare la differenza di flusso alla lunghezza del ponte termico Φ nopt Φ pt

17 La convenzione della trasmittanza lineare 17 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Confrontiamo dunque le due quantità e la loro differenza (Φ pt Φ nopt ) Φ nopt = U x S x T Φ pt

18 La convenzione della trasmittanza lineare 18 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Definisco trasmittanza lineare il coefficiente di correzione: ψ = (Φ pt Φ nopt )/(Lx T) In quanto, se lo conosco, posso calcolare il flusso attraverso la parete con ponte termico come: Φ pt = Φ nopt + ψxlx T L L Φ nopt Φ pt

19 La convenzione della trasmittanza lineare 19 Prendiamo il caso più semplice dell eterogeneità di materiale in una parete piana, come la seguente: Definisco trasmittanza lineare il coefficiente di correzione: ψ = (Φ pt Φ nopt )/(Lx T) L In quanto, se lo conosco, posso calcolare il flusso attraverso la parete con ponte termico come: Φ pt = Φ nopt + ψxlx T Diciamolo diversamente: Φ corretto/ / T = U x S + ψxl L Φ nopt Φ pt

20 La UNI EN ISO Fornisce dei valori dei coefficienti correttivi anche molto cautelativi, per le tecnologie costruttive italiane. Pareti perimetrali ad isolamento concentrato d = 0,3 m Con trasmittanza termica U = 0,343 W/(m 2 K) Con strati di isolante con resistenza termica R = 2,5 m 2 K/W Pareti a isolamento diffuso: U = 0,375 W/(m 2 K) Pareti interne d=0,20 Solai, spessore d = 0,15 m, in calcestruzzo pieno con λ cls = 2,0 W/(m K) Coperture con trasmittanza termica U = 0,365 W/(m 2 K) e resistenza termica dello strato isolante R = 2,5 (m 2 K)/W Pilastri: d = 0,3 m, in calcestruzzo pieno con λ cls = 2,0 W/(m K) Telai dei serramenti d = 0,06 m

21 Suddivisione Ponti Termici UNI EN ISO

22 UNI EN ISO 14683: Dettaglio del solaio intermedio Isolante concentrato in uno strato centrale interno alla parete perimetrale. Ponte termico non controllato Il valore del coefficiente correttivo è pari a: Ψ e = 0,80 (W/K) se si considera l intera superficie esterna disperdente Ψ i = 0,90 (W/K) se si considera la superficie interna disperdente Che succede se isolo il frontalino? Poco Ψ f = 0,60 (W/K) Ψ i = 0,65 (W/K)

23 UNI EN ISO 14683: Pilastri in parete piana (non d angolo): Muro a cassetta: Ψ i = Ψ e = 1,20 (W/K) Isolamento interno: Ψ i = Ψ e = 1,05 (W/K) Isolamento distribuito: Ψ i = Ψ e = 0,90 (W/K)

24 UNI EN ISO 14683: Copertura Parete a cassetta e isolamento estradosso non continuo: Ψ e = 0,50 (W/K) Ψ i = 0,65 (W/K) Se l isolamento è interno Ψ e = 0,40 (W/K) Ψ i = 0,55 (W/K)

25 UNI EN ISO 14683: int ANGOLI (senza pilastri) verso l interno: Isolamento centrale: Ψ e = - 0,10 (W/K) Ψ i = + 0,10 (W/K) int Se l isolamento è esterno: Ψ e = - 0,05 (W/K) Ψ i = + 0,15 (W/K) int Se l isolamento è interno: Ψ e = - 0,20 (W/K) Ψ i = + 0,05 (W/K)

26 UNI EN ISO 14683: Serramenti Paramento esterno e interno della muratura continui: Ψ e = Ψ i = 0,65 (W/K) Se la parete è considerata isolante dipende dalla posizione del serramento: Ψ e = Ψ i = 0,05 (W/K)

27 La norma svizzera 27 L ufficio federale per l energia elvetico ha prodotto una serie di documenti utili a comprendere l influenza dei ponti termici nella determinazione dei disperdimenti per trasmissione. Il documento è assai completo e utile anche per le nostre tecnologie costruttive. Quanto segue è relativo alla correzione per il ponte termico del solaio interno per due tipologie di parete isolata internamente Da: Ponts Thermiques (Ufficio federale dell energia Svizzero OFEN)

28 La norma svizzera 28 Copertura con isolamento non continuo di parete isolata internamente Da: Ponts Thermiques (Ufficio federale dell energia Svizzero OFEN)

29 La norma svizzera 29 Stessa configurazione della precedente, con rientro dell isolamento verso l interno, all intradosso Da: Ponts Thermiques (Ufficio federale dell energia Svizzero OFEN)

30 La norma svizzera 30 Ovviamente se l isolamento della copertura è all interno ed è continuo, visto che calcolo i disperdimento secondo la superficie esterna

31 Obiettivo dell intervento 31 Dimostrare che i ponti termici, se non controllati, ma anche se controllati poco ), hanno un impatto notevole sui disperdimenti e sul fabbisogno energetico di riscaldamento (oggetto di certificazione) e di climatizzazione, in generale. Fornire una regola per capire di quanto i ponti termici debbano essere controllati

32 Quanto pesano i ponti termici? 32 Studiamo una tipologia residenziale comune, un edificio in linea libero sui quattro lati, di taglio medio: m 2 netti per appartamento, due per piano Spessore parete perimetrale 0.40 m Interasse strutturale: 5.8 x 4.0 m Un bagno centrale in aspirazione No balconi, facciata semplice Profondità. corpo di fabbrica 12.3 m Solaio inferiore su spazi aperti Copertura piana Serramenti di altezza pari a 1.5 m e superficie tale da garantire un rapporto aeroilluminante di 1/10

33 Calcoliamo i disperdimenti dimenticando PT 33 Supponiamo che le trasmittanze termiche siano quelle sotto elencate (U media = 0,42 W/m 2 K). Ad esse corrisponde un coeff. di disperdimento per trasmissione pari a circa 500 W/K S U Ft Ht parete perimetrale verticale parete interna verso scale finestre porte di accesso copertura solaio inferiore totale involucro

34 Distribuzione percentuale 34 Distribuzione delle superfici disperdenti solaio inferiore parete perimetrale verticale S% parete perimetrale verticale 45% parete interna verso scale 11% finestre 5% porte di accesso 1% copertura 19% solaio inferiore 19% copertura porte di accesso finestre parete interna verso scale Distribuzione dei disp. per trasmissione (no PT) H% parete perimetrale verticale 32% parete interna verso scale 11% finestre 26% porte di accesso 2% copertura 14% solaio inferiore 15% solaio inferiore copertura porte di accesso finestre parete perimetrale verticale parete interna verso scale

35 Le dispersioni attraverso i ponti termici Con rif. alla UNI EN ISO (dove possib.): Pilastro in sezione corrente e parete perimetrale a cassetta con isolamento interposto: Ψ e = 1,20 (W/K) 35 Pilastro in angolo verso esterno e parete perimetrale a cassetta con isolamento interposto: Ψ e = 0,30 (W/K) Pilastro in angolo vs interno: Ψ e = 0,60 Solaio in CA che interrompe l isolante della parete perimetrale a cassetta: Ψ e = 0,95 (W/K) Stesso valore per balcone e solaio a sbalzo (scala)

36 Le dispersioni attraverso i ponti termici 36 Facciamo i conti secondo la UNI EN ISO (dove è possibile) Copertura piana isolata con isolante discontinuo: Ψ e = 0,50 (W/K) Ipotizziamo che il solaio inferiore sia fatto alla stessa maniera Serramento: Ψ e = 1,00 (W/K)

37 Le dispersioni attraverso i ponti termici 37 Ponti termici lungh. ψ H b (m) (W/mK) tr,x (-) t. Pt (W/K) Parete-solaio vs. esterno Parete-solaio vs. scala Parete-copertura Parete-solaio inferiore Vano scala-copertura Vano scala-solaio inf Pilastri in parete perim Pilastri d'angolo vs.est Pilastri d'angolo vs.int Serramenti Totale ponti termici 629,

38 I disperdimenti per trasmissione 38 ponti termici parete perimetrale verticale parete interna verso scale finestre solaio inferiore porte di accesso copertura Dispersioni H t. Pt (W/K) Chiusure perimetrali Ponti termici Ψ e medio = 0.8 [ W/mK ]

39 Vediamo che succede se 39 se miglioriamo il controllo dei ponti termici, imponendo per esempio che ψ e = 0.60 W/mK): parete perimetrale verticale ponti termici parete interna verso scale finestre porte di accesso solaio inferiore copertura

40 e se 40 Il grafico che segue è calcolato per ψ= 0.25 W/mK): ponti termici parete perimetrale verticale solaio inferiore copertura parete interna verso scale finestre porte di accesso

41 Facciamo ancora qualche conto 41 Supponiamo che ci sia, ogni 5 m di facciata, un pilastro non isolato e un serramento di 3,13 m 2 (2,0 x 1,56 con un perimetro di 7,13 m). Il flusso per campitura di parete opaca è pari a: Parete: 0,34 x (15 3,15) = 4,04 (W/K) PT-Pilastro 1,3 x 3 = 3,9 (W/K) PT-Trave 0,8 x 5,0 = 4,0 (W/K) PT-Serramento 0,65 x 7,13 = 4,6 (W/K) 3,0 TOTALE: 16,57 W/K La trasmittanza media della sola parte opaca è: 1,39 W/m 2 K!!!!!!!!!!!! 5,0 Se il serramento ha una U=2,2 W/m 2 K la trasmittanza media di tutta la facciata è 1,56 (W/m 2 K) (contro 0,73 W/m 2 K trascurando completamente i PONTI TERMICI e 0,78 W/m 2 K peggiorando la trasmittanza termica della parete del 20%) LA META

42 I disperdimenti totali 42 U = U i S i S i ψ = ψ i L i L i S tot V tot H g = 0,34 V i n + U +ψ L tot V tot V tot S tot : rapporto superficie/volume (lordi) (m -1 ) S tot V tot V i V tot = (1 κ ) : porzione di volume netta interna (-): si tratta di un parametro che varia in funzione della tecnologia adottata L tot S tot : estensione dei punti singolari sull involucro, rapportata alla superficie totale (m -1 ), che chiameremo rapporto lunghezza/superficie

43 Correlazione tra S/V e L/S Edificio a 3 piani Edificio a 4 piani Edificio a 5 piani Edificio a 6 piani Edificio a 7 piani L tot S tot Numero di piani crescente Numero di lotti affiancati crescente da 10 a 100 m di sviluppo circa S/V (1/m) tot V tot

44 Ponti termici e disperdimenti 44 U U se non è superiore a 1,0 W/m 2 K (edificio isolato anni 90), è sufficiente che ψ medio sia intorno a 0,20 W/mK perché l incremento complessivo dei disperdimenti per trasmissione sia inferiore al 10%. In questo caso l influenza della ventilazione è piccola se è molto basso (0,5 W/m 2 K è la media di un edificio un po meglio della norma attuale ), ψ deve essere inferiore a 0,08 W/mK, per garantire lo stesso obiettivo. In questo caso la ventilazione influisce leggermente e basta uno 0,10 W/Km per contenere l incremento dei disperdimenti totali entro il 10% U se è dell ordine di grandezza di 0,25 W/m 2 K (casa passiva), allora ψ deve essere contenuto entro valori inferiori a 0,05 W/mK (ma dei disperdimenti totali sarà circa il 5%, perché la ventilazione non meccanizzata e senza scambiatore incide quasi del 50% sul totale)

45 Valori della trasmittanza lineare 45 Nel caso di sistemi isolati (U<1,0 W/m 2 K), le eterogeneità dell involucro possono avere un peso molto grande sui disperdimenti, se non controllate e, per edifici normali, per i ponti termici lineari, che sono i più diffusi, si potrebbe classificare i dettagli in funzione della trasmittanza lineare che li caratterizza: dettagli non controllati : ψ e = 0,50 1,20 (W/mK) ( vietati e di fatto lo sarebbero se si facessero i conti! dettagli mediamente-scarsamente controllati : ψ e = 0,20 0,50 (W/mK) PRATICAMENTE OBBLIGATORI PER EVITARE CONDENSA dettagli controllati : ψ e < 0,20 (W/mK) una specie di CLASSE B dei dettagli costruttivi dettagli da casa passiva : 0,05 (W/mK) la CLASSE A dei dettagli costruttivi ψ e < 0,01: la CLASSE A+

46 I dettagli costruttivi e le loro prestazioni 46 Pilastro d angolo verso l esterno non isolato (no ISO 14683)

47 I dettagli costruttivi e le loro prestazioni 47 Pilastro d angolo verso l interno e verso l esterno isolato

48 I dettagli costruttivi e le loro prestazioni 48 Pilastro in sezione corrente

49 I dettagli costruttivi e le loro prestazioni 49 solaio

50 I dettagli costruttivi e le loro prestazioni 50 Solaio di copertura

51 Trasmittanza media e dispersioni 51 Vediamo, per le seguenti cinque configurazioni di involucro opaco (alla stessa trasmittanza) e trasparente, per l edificio ideale di riferimento, l andamento dei disperdimenti annui per unità di superficie utile, nel sito climatico Milano (2404 GG ai sensi del DM ). Trasmittanze [W/m 2 K] Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5 Parete Serramento Media

52 Incidenza dei ponti termici sui disperdimenti 52 Al variare della configurazione di parete, nell ipotesi di ponte termico non controllato, per l edificio esaminato, ventilazione compresa

53 LBNL-THERM Ver THERM versione 6.2 e 5.2 Download diretto da: therm/therm.html Documentazione: erm/52/therm52_docs.htm

54 Casi particolari 1 54 [FONTE: F. Re Cecconi, M. Antonini, A.G. Mainini, Banca dati dei dettagli esecutivi, Maggioli, 2009]

55 Casi particolari 2 55 [FONTE: F. Re Cecconi, M. Antonini, A.G. Mainini, Banca dati dei dettagli esecutivi, Maggioli, 2009]

56 Casi particolari 3 56 [FONTE: F. Re Cecconi, M. Antonini, A.G. Mainini, Banca dati dei dettagli esecutivi, Maggioli, 2009]

57 57 NODO SOLAIO PARETE PERIMETRALE

58 Caso Base_Isolamento 12 cm 58 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.66 [W/mK]

59 Caso 01_Isolamento 8 cm 59 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.64 [W/mK]

60 Caso 02_Isolamento 5 cm 60 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.60 [W/mK]

61 Caso 03_Solaio non alleggerito 61 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.69 [W/mK]

62 Caso 04_Isolamento solaio /1 62 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.63 [W/mK]

63 Caso 04_Isolamento solaio /2 63 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.63 [W/mK]

64 Caso 06_Isolamento Bordo_fibra di legno 3 cm 64 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.46 [W/mK]

65 Caso 07_Isolamento Bordo_fibra di legno 5 cm 65 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.40 [W/mK]

66 Caso 08_Isolamento Bordo_polistirene 3 cm 66 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.43 [W/mK]

67 Caso 09_Isolamento Bordo_polistirene 5 cm 67 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.37 [W/mK]

68 Caso 10_Isolamento inferiore solaio 68 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.52 [W/mK]

69 Caso 11_Isolamento a cappotto 8 cm 69 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.02 [W/mK]

70 Caso 12_Isolamento a cappotto 12 cm 70 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.01 [W/mK]

71 Caso 13_Isolamento completo trave 71 U parete = [W/m 2 K] ψ= 0.30 [W/mK]

72 Tabella Riassuntiva risultati 72

73 Due o tre dimensioni? 73 ATTENZIONE: In realtà l angolo ha una complessità tridimensionale!! La scelta di analizzarlo in 2D è una semplificazione (piuttosto ragionevole, però)

74 SOFTWARE 3D 74 Ha senso? In fase di predimensionamento (progettazione di massima) non serve, bastano i coefficienti della ISO In fase di verifica finale (certificazione) può aver SENSO, soprattutto se i dettagli sono male isolati: la norma ISO è molto a favore di sicurezza per casi non drammaticamente sconci In fase di messa a punto di una soluzione tecnica può rivelarsi FONDAMENTALE

75 75 [AnTherm]

76 Conclusioni 76 I ponti termici non controllati possono avere un incidenza straordinaria sui disperdimenti finali Se si vuole contenere entro valori ragionevoli la loro incidenza sui disperdimenti (o sul fabbisogno), è possibile porsi un obiettivo di controllo della trasmittanza termica lineare media dei ponti termici entro valori che dipenderanno dalla trasmittanza termica media dell involucro e il suo tasso di ventilazione. L utilizzo della norma ISO è utile per delle verifiche iniziali (progetto preliminare) della fattibilità di una prestazione energetica obiettivo ed è - ovviamente - tanto meno efficace quanto più ci si allontana dalla configurazione di involucro utilizzata per l abaco che essa contiene. L ottimizzazione di un sistema di involucro edilizio non può non basarsi su analisi avanzate delle sue prestazioni energetiche, utilizzando modelli agli elementi finiti dei flussi termici che li attraversano.

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