Strutture opache e trasparenti: tipologie, proprietà termiche ed energetiche

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1 Università IUAV di Venezia Involucro dell edificio Strutture opache e trasparenti: tipologie, proprietà termiche ed energetiche Piercarlo Romagnoni 1

2 Vetro e finestre 2

3 La caratterizzazione di un sistema vetrato: proprietà ottiche le caratteristiche ottiche, in particolare la trasparenza, sono determinati per l impiego del vetro in edilizia Il comportamento dei materiali nei confronti della radiazione sono quantificate dai coefficienti: energia incidente di riflessione r = G rifl / G inc energia di trasmissione t = G trasm / G inc riflessa di assorbimento a = G ass / G inc energia assorbita Per il principio di conservazione dell energia vale: G ass + G rifl + G trasm = G inc energia trasmessa a G inc + r G inc + t G inc = G inc t + r + a = 1 3

4 La caratterizzazione di un sistema vetrato: I coefficienti sono funzione della lunghezza d onda λ e dell angolo di incidenza θ della radiazione incidente r = r(λ,θ λ,θ) t = t(λ,θ λ,θ) a = a(λ,θ λ,θ) 4

5 Parametri sintetici: τ e, ρ e, τ v, ρ v 100 UV visibile visibile infrarosso Solare: visibile + IR + UV Trasmittanza (%) τ v τ e Chiaro Grigio Bronzo Verde Lunghezza d'onda (nm) 5

6 coefficienti di trasmissione, riflessione e assorbimento nel visibile Si considerano valori integrati nell intervallo del visibile ossia nm utilizzando come funzioni peso la curva di sensibilità dell occhio e lo spettro solare. Radiazione spettrale (W/m 2. µm) O3 H2O 5800 k corpo nero Radiazione solare extraterrestre O2 Superficie della terra t v ( ϑ) = 780nm I 380nm 780nm 380 nm ( λ) V ( λ) t( λ, ϑ) I ( λ ) V ( λ ) d λ dλ 500 O3 H2O H2O H2O CO2 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Lunghezza d onda (µm) illuminante D65 CIE e osservatore CIE

7 La caratterizzazione di un sistema vetrato: proprietà termiche Il vetro chiaro semplice ha una conducibilità intorno a 1 W/(m K): non è un valore molto basso, ma neppure elevato; gli spessori con cui si usa sono però bassi, 4-6 mm, per cui la resistenza termica risultante e bassa, 0,004-0,006 m 2 K/W. La trasmittanza U risultante con gli usuali valori per i coefficienti di adduzione (h i = 7,7 W/m 2 K, h e =25,0 W/m 2 K) intorno a 5,7 W/m 2 K. Per aumentare le proprietà di isolamento si sono studiate diverse soluzioni: vetrocamera: sistemi costituiti da più lastre nuovi materiali isolanti termici: materiali traslucidi e con conducibilità paragonabile con quella degli isolanti - Aerogel - sistemi complessi in materiali plastici in grado di garantire passaggio luce e limitare gli scambi convettivi - TIM - 7

8 il vetrocamera: più lastre unite ai bordi con una sigillatura distanziatore: garantisce la resistenza meccanica in alluminio, metallo, polimeri rinforzati sigillante primario (polisobutilene): mastice di adesione tra i pannelli vetrati garantisce la tenuta dell intercapedine sigillante secondario (polisolfuro): costituisce una seconda sigillatura e connessione tra i vari componenti essiccante (zeolite): adsorbe il vapor d acqua, evita la condensa all interno dell intercapedine Distanziatore metallico Sigillante primario Sigillante secondario 8

9 La caratterizzazione di un sistema vetrato: proprietà termiche La resistenza globale del sistema vetrato può essere aumentata utilizzando una coppia di lastre con interposta un intercapedine Si devono limitare gli spessori: elevati spessori non portano a miglioramenti delle prestazioni. Si può limitare la convezione utilizzando invece dell aria per riempire l intercapedine con gas ad elevato peso molecolare e quindi meno mobile (ex. Argon, Xenon, Kripton). Si possono anche ottenere vetrocamere evacuate in cui nell intercapedine è stato fatto il vuoto. Si hanno problemi per l inflessione delle lastre. E necessario inserire nell intercapedine dei distanziatori (in materiale ceramico). 9

10 La caratterizzazione di un sistema vetrato: proprietà termiche Si può intervenire sulle superfici limitando gli scambi radiativi: trattamenti superficiali basso-emissivi. depositi di metalli o ossidi metallici con emissività risultante inferiore a 0,3 Diminuiscono le dispersioni per radiazione a elevata lunghezza d onda dall interno verso l esterno, mentre rimane elevato la trasmissione di radiazione a corta lunghezza d onda Per un vetrocamera con U=3.5 W/m 2 K, con trattamenti superficiali bassoemissivi si raggiungono valori intorno a 1-2 W/m 2 K (heat mirror). 10

11 Il miglioramento delle prestazioni di isolamento termico del sistema finestra Telai ad elevata resistenza termica: in legno con eventuali inserzioni plastiche in materiali polimerici (PVC) con anima in metallo in profilato metallico (alluminio, acciaio) con taglio termico realizzato mediante colatura resina fenolica e schiuma poliuretanica con la realizzazione del profilo in due pezzi con connessione plastica e bloccaggio a pressione 11

12 il miglioramento delle prestazioni di isolamento termico del sistema finestra il distanziatore utilizzato nella produzione dei vetrocamera diviene un punto debole specie nelle vetrate ad elevatissime prestazioni 12

13 Nuovi tipi di distanziatore Sono disponibili in commercio diversi tipi di distanziatori riconducibili ad otto classi: profilo in alluminio, profilo in acciaio, metallo variamente rivestito metallo con taglio termico fibra di vetro-polimero, poli-iso-butilene polimeri espansi (in genere siliconici) materiali plastici (policarbonato) 13

14 LE NORME TECNICHE UNI EN 673 Vetro per edilizia Determinazione della Trasmittanza termica-metodo di Calcolo (1999) UNI EN 410, Vetro per edilizia Determinazione delle caratteristiche luminose e solari delle vetrate (2000) UNI EN ISO Finestre, porte e chiusure-calcolo della trasmittanza termica- Metodo semplificato (2007) UNI EN Finestre e porte Permeabilità all aria-classificazione. (2000) 14

15 Le prestazioni termiche di un sistema vetrato : Il coefficiente di scambio termico U-value norma UNI EN ISO determinazione di: coefficiente di trasmissione per la parte centrale procedura semplificata norma EN 673 coefficiente di trasmissione lineico per il bordo analisi numerica dettagliata o misura UNI EN ISO Windows, doors and shutters Thermal transmittance: calculation method : coefficiente di trasmissione per il telaio analisi numerica dettagliata o misura 2 media pesata mediante le aree delle due parti componenti il vetrocamera e la lunghezza del contorno 3 determinazione coefficiente di scambio termico globale del sistema vetrato 15

16 Le prestazioni termiche di un sistema vetrato : Il coefficiente di scambio termico U-value U w = U g A g + U A g f + A f A f + ψ g L g q g = Ag Ug( EN673) ( θ θ ) ai ae q w = Aw Uw( EN10077) ( θ θ ) ai ae 16

17 Caratterizzazione: prestazioni termiche U-value UNI EN ISO , Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 1: Generalità; UNI EN 673, Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica (valore U) - Metodo di calcolo Ug (W/m 2 K) Aria Argon Kripton U w = U g A g + U A g f + A f A f + ψ g L g Lastra singola 5.7 Doppia Tripla Muratura 30 cm 1 Valori calcolati secondo UNI EN 673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm 17

18 Confronto tra caratteristiche di un sistema vetrato 18

19 Il telaio U f Telai in legno 19

20 Il distanziatore: ψ g 20

21 Ingresso dell energia solare attraverso la finestra Trasmissione diretta della radiazione solare Assorbimento parziale della radiazione solare da parte degli strati vetrati; il riscaldamento dello strato: - causa una riemissione (dalla superficie interna della lastra verso l interno) di parte dell energia assorbita come IR - riduce il flusso termico tra la stanza e la superficie della lastra, riducendo la differenza di temperatura tra l aria ambiente e la lastra vetrata (se la lastra di vetro diviene più calda dell aria interna, il flusso termico si dirige verso l interno) 21

22 Parametri energetici: fattore solare FS o g Rapporto tra l energia globale trasmessa oltre la lastra e quella incidente su di essa; si considera sia l energia direttamente trasmessa che quella assorbita e scambiata per radiazione e convezione con l interno; ( τ I) + c( α I) FS = I ρi αi τi (1-c) αi c (αi) Il fattore solare è anche indicato come total solar energy transmittance TSET, e Solar heating gain coefficient SHGC. Per lastre non trattate il valore di c viene di solito assunto pari a 0,3; con ricoprimenti bassoemissivi si può arrivare a 0,5. 22

23 Coefficiente di Solar heat gain (SHGC) o g-value (in Europa) Considera entrambi gli effetti diretto (trasmissione ridotta) e indiretto (ri-emissione di radiazione IR nella stanza e ridotte perdite di flusso termico) Per doppi vetri non trattati, SHGC = 0.7 e U = 2.5 W/m 2 /K Le finestre potrebbero essere utilizzate con i seguenti valori: - SHGC = 0.23 con U = 0.4 W/(m 2 K), oppure - SHGC = 0.60 con U = 0.7 W/(m 2 K) 23

24 Proprietà energetiche Il fattore solare o guadagno solare (F) Esso corrisponde al rapporto tra l energia trasmessa oltre la lastra e quella incidente su di essa. Si considera sia l energia direttamente trasmessa che quella assorbita e scambiata per radiazione e convezione con l interno F s = g = I t + c I a I I = energia solare incidente I a = a s I = energia assorbita I r = r s I = energia riflessa I t = t s I = energia trasmessa I t + c I a = energia solare entrante Generalmente si assume che circa un terzo dell energia assorbita dalla lastra penetri nell ambiente (lastre non trattate): I t + c I a I Fs = g = = t + 0, 33 a 24

25 Shading coefficient 25

26 Sistemi bassoemissivi Prestazioni depositi superficiali di metalli o ossidi metallici: ε < 0,3 trasmittanza vetro-vetro: U = 1,0 2,0 W/m²K guadagno solare: F = 50 70% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 70 75% v Int Ext 26

27 Sistemi per il controllo solare grandi superfici vetrate, particolari condizioni geografiche o di esposizione l uso di vetri chiari può generare un eccessivo surriscaldamento all interno degli ambienti e discomfort luminoso: vetri selettivi. vetri assorbenti colorati in massa vetri riflettenti con ricoprimenti superficiali metallici o in ossidi metallici Prestazioni trasmittanza vetro-vetro: Ug= 2,0 W/m²K guadagno solare: F = 30 50% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 50 65% 27

28 Tipologie di sistemi vetrati: controllo solare 28

29 Sistemi per il controllo solare 29

30 Tipologie di sistemi vetrati: controllo solare vetri colorati in massa 30

31 Caratteristiche di sistemi a controllo solare T vis R vis T sol R sol FS Float 90.5% 7.9% 87.9% 6.7% 89.3% SnO % 12.0% 61.7% 12.4% 68.4% Ag-Ag 63.5% 10.6% 33.6% 42.3% 39.8% Fe-Cr 9.3% 34.0% 7.3% 43.6% 20.0% Valori calcolati secondo EN673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm; emissività normale float = 0.89, emissività normale Ag-Ag =

32 Riassumendo: diverse famiglie di vetri 32

33 La progettazione corretta dei sistemi vetrati risulta estremamente importante nel contenimento del fabbisogno energetico degli edifici: Clima freddo: soprattutto le dispersioni invernali da tenere sotto controllo τ v almeno 0,7 F s (g) almeno 0,5 U al più 1,5 W/(m 2 K) Clima caldo o edifici con elevati carichi termici: soprattutto solari da tenere sotto controllo i carichi τ v almeno 0,6 F s (g) al più 0,4 U al più 3,0 W/(m 2 K) Clima moderato: sono da tenere sotto controllo sia le dispersioni che i carichi solari. τ v almeno 0,7 F s (g) almeno 0,5 U al più 2,0 W/(m 2 K) 33

34 Altri sistemi vetrati Sistemi TIM 34

35 Sistemi TIM 35

36 Aerogel granulare 36

37 Altri sistemi vetrati Sistemi termocromici 37

38 Altri sistemi vetrati Sistemi termocromici 38

39 sistemi vetrati proprietà variabili Sono chiamati anche sistemi cromogenici e consentono un controllo dinamico della radiazione termica e della luce che penetra all interno degli ambienti. Sono caratterizzati dalla possibilità di variare lo spettro della trasmissione in funzione della temperatura, dell intensità della radiazione, del campo elettrico applicato. Il controllo della variazione può avvenire in funzione di un controllo esterno (vetrate attivate elettricamente) o indipendentemente da esso (vetrate autoregolanti). I dispositivi attivati elettricamente sono: cristalli liquidi dispersi, sistemi a particelle sospese e materiali elettrocromici. I dispositivi autoregolanti sono: sistemi termocromici, termotropici e fotocromici. 39

40 sistemi vetrati proprietà variabili: elettrocromici 40

41 sistemi redirecting : lamelle lamelle fisse sole alto estivo primavera-autunno sole basso invernale Controllo solare e visibilità attraverso sistemi a lamelle fisse. Il profilo è tale da ottimizzare le prestazioni. 41

42 sistemi redirecting : vetrocamere con tendina lamelle orientabili 42

43 L involucro: gli schermi Joensuu (SF) Scuola media Empoli (I) Sevilla (E): Società Telefonica 43

44 Controllo della radiazione Protezione dalla radiazione solare 44

45 Grundschule am Reidburg, Frankfurt (D) (schermi esterni) Fonte: Danny Harvey 45

46 Aggetti e schermi Componente Schermo Vetro Tra le Vetro interno interno lastre esterno Vetro singolo con schermo interno Vetro singolo con veneziana interna Vetro doppio con schermo interno Vetro doppio con veneziana interna chiusa 0,80 ± 0,08 0,80 ± 0,06 0,69 ± 0,05 0,83 ± 0,08 0,72 ± 0,07 0,24 ± 0,09 0,21 ± 0,07 0,14 ± 0,05 0,8 ± 0,01 0,52 ± 0,12 0,28 ± 0, ,86 ± 0,06 0,69 ± 0,14 0,21 ± 0,09 Fonte ASHRAE Fundamentals 2005 Vetro doppio basso emissivo con schermo fra le lastre 35 0,46 ± 0,12 0,38 ± 0,05 0,32 ± 0,11 46

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48 sistemi redirecting : sistemi rifrattivi prismatici 48

49 La valutazione normativa UNI EN :2004 Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate Calcolo della trasmittanza solare e luminosa Parte 1: Metodo semplificato UNI EN :2006 UNI EN :2006 Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate Calcolo della trasmittanza solare e luminosa Parte 2: Metodo di calcolo dettagliato 49

50 Principi generali I valori della conduttanza termica G sono ottenuti sulla base delle relazioni presenti in UNI EN

51 U g = trasmittanza termica del vetro (UNI EN 673, UNI EN 674) g = fattore solare del vetro (UNI EN 410) τ B = trasmissione solare dello schermo ρ B = riflessione solare dello schermo 51

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