Comportamento dinamico dell involucro opaco

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1 Comportamento dinamico dell involucro opaco Prof. Ing. Pietro Stefanizzi Politecnico di Bari Bari, 3 ottobre 2014 CONDUTTIVITA TERMICA? UNI 10351:1994 Materiale solido (laterizio, cls, intonaco, ) Valore di base (UNI EN 1745:2005) Valore dichiarato e valore di progetto (UNI EN ISO 10456:2008) UNI/TS :2008 Cavità d aria UNI 10355:1994 UNI EN ISO 6946:2008

2 Permeabilità al vapore d acqua in tazza secca densità Permeabilità al vapore d acqua in tazza umida Conduttività di riferimento (in laboratorio) Maggiorazione percentuale per umidità Conduttività utile di calcolo Misura di conduttività termica, con metodo dinamico (sorgente piana) ISOMET 2104 (Applied Precision Ltd.)

3 sonda Termocoppia 1 (linea blu) Provino Termocoppia 2 (linea rossa) Misura di: W m K c m s Conduttività termica 2 Diffusività termica temperatura 27,00 26,50 26,00 25,50 25,00 24,50 24,00 23,50 23, secondi TUFO CALCAREO Misure effettuate presso il Laboratorio di Termofisica dei Materiali del Politecnico di Bari con apparecchiatura ISOMET 2104

4 Misura di conduttività termica in regime termico stazionario Apparecchiatura a piastra calda con guardia per misure di conduttività termica secondo ISO 8302 ed EN (Lambda Meßtechnik GmbH Dresden) 10,dry

5 LATERIZIO Misure effettuate presso il Laboratorio di Termofisica dei Materiali del Politecnico di Bari con apparecchiatura LAMBDA METER EP500 Determinazione del valore di conduttività termica di progetto Per valori di temperatura ed umidità (T 2, diversi da quelli di riferimento (T 1, 1 ) si calcolano dei fattori correttivi F F T m e e f f T T 2 T F T F m

6 UNI EN ISO Valore base da certificato: W b 0,448 T 1 10C, m K ESEMPIO DI CALCOLO PER LATERIZIO dry Valore di progetto per parete interna: (20 C, 50%UR) F F T m e e F T f T f F T2 T1 0, e 1, ,0070 e 1,073 m 1,010 *1,073* 0,448 0,486 b W m K Valore di progetto per parete esterna: (10 C, 80%UR) F F T m e e F T f T f F T2 T1 0, e ,0120 e 1,127 m 1*1,127 * 0,448 0,505 b W m K

7 Analisi con software FLUENT 2D Temperature in una cavità d aria chiusa da setti in laterizio Piccole intercapedini d aria chiuse b < 10 d [m 2 K/W] resistenza termica della cavità d aria

8 45 40 Anno tipo (Bari-Palese) - Aria esterna Period of record (ASHRAE Handbook 2009) 35 Temperatura [ C] Anno tipo (Bari-Palese) - Aria esterna - 15 giugno gen 20-feb 10-apr 30-mag 19-lug 7-set 27-ott 16-dic Temperatura [ C] :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 CONDUZIONE TERMICA PERIODICA STAZIONARIA ˆ 0 ˆ 1 ˆ 0 ˆ 1 UNI EN ISO 13786:2008

9 INTERNO ˆ 1 ˆ 1 Z Z Z Z ESTERNO ˆ 0 ˆ 0 dove: Z Z cosh s sinh Z 12 s Z cosh s 22 sinh s jk Z Z Z Z Z MATRICE DI TRASFERIMENTO dello strato Per N strati: N=3 Z Z 1 Z 2... Z N I termini della matrice di trasferimento globale sono numeri complessi che caratterizzano, per ogni armonica, il comportamento della parete

10 Assume particolare significato il primo termine della matrice (Y 11 ) in quanto rappresenta il rapporto tra l oscillazione di flusso termico interno e l oscillazione di temperatura interna, con temperatura esterna costante, esso viene detto ammettenza interna: ˆ e ˆ i ˆ e ˆ i Y 11 Z Z ˆ i ˆ i ˆ 0 e m W 2 K ˆ e ˆ i ˆ e ˆ i Y Y 1 Z ˆ i e ˆ 12 ˆ 0 i W 2 m K Y 12 = trasmittanza termica periodica, rapporto del flusso termico sul lato interno e la temperatura sul lato esterno con temperatura interna costante.

11 Il rapporto tra la trasmittanza termica periodica Y 12 ela trasmittanza termica U viene detto fattore di decremento o di attenuazione f U Y 12 f = 1 per parete senza capacità di accumulo (inerzia nulla) f = 0 per parete con capacità di accumulo infinita PARAMETRI TERMICI DINAMICI SEMPLIFICATI Massa superficiale (o frontale) N M s kg 2 S j j j1 m La legislazione energetica italiana, inspiegabilmente, esclude gli strati di intonaco nel calcolo di M s Capacità termica frontale CF N c j1 s kj m K j j j 2 s = spessore [m] densità [kg/m 3 ] c = calore specifico [kj/(kg K)]

12 CAPACITÀ TERMICA AREICA INTERNA (UNI EN ISO 13786) C A m 1 Y mm Y mn kj 2 m K CAPACITÀ TERMICA INTERNA DELL INTERO EDIFICIO La capacità termica interna dell edificio, C m, è calcolata sommando le capacità termiche interne di tutti i componenti edilizi (involucro e partizioni interne) a diretto contatto termico con l aria interna: C m j A j kj K DPR 2 aprile 2009, n. 59 Regolamento di attuazione dell'articolo 4, comma 1, lettere a) e b), del decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 192, concernente attuazione della direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico in edilizia. (GU n. 132 del ) il progettista, al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti, nel caso di edifici di nuova costruzione e nel caso di ristrutturazioni di edifici esistenti di cui all articolo 3, comma 2, lettere a), b) e c), numero 1), del decreto legislativo, questo ultimo limitatamente alle ristrutturazioni totali: a) valuta puntualmente e documenta l efficacia dei sistemi schermanti delle superfici vetrate, esterni o interni, tali da ridurre l apporto di calore per irraggiamento solare;

13 b) esegue, in tutte le zone climatiche ad esclusione della F, per le località nelle quali il valore medio mensile dell irradianza sul piano orizzontale, nel mese di massima insolazione estiva, I m,s, sia maggiore o uguale a 290 W/m 2 : 1) relativamente a tutte le pareti opache verticali con l eccezione di quelle comprese nel quadrante nord-ovest / nord / nord-est, almeno una delle seguenti verifiche: Massa superficiale Ms > 230 kg/m 2 Trasmittanza termica periodica YIE < 0,12 W/m 2 K 2) relativamente a tutte le pareti opache orizzontali ed inclinate: Trasmittanza termica periodica YIE < 0,20 W/m2K

14 =3,4 h =10,2 h =17,0 h =33,8 h Andamento flusso termico (W/m 2 ) nella parete nelle 24 ore Spessore Tufo 10 cm Spessore Tufo 1 m Output da software PAN 6.0 (www.anit.it)

15 CONSIDERAZIONI Si dice che uno sfasamento di 12 ore comporta l arrivo del caldo di mezzogiorno sul lato interno della parete alle 24, cioè nell ora in cui la temperatura esterna è più bassa e si può beneficiare del raffrescamento ventilativo notturno. Si dimentica però che il segnale (flusso termico) che arriva sulla faccia interna della parete è smorzato dall inerzia della parete stessa. Il valore dello sfasamento è legato a quello dello smorzamento (fattore di attenuazione, f). Maggiore è lo sfasamento, più piccolo è il fattore di attenuazione e quindi minore è il flusso termico che raggiunge il lato interno della parete. Si sbaglia a dire che non conviene che lo sfasamento superi le 12 ore perché non si avrebbe più l arrivo del calore sul lato interno della parete nelle ore di aria esterna più fresca. DOVE DISPORRE LO STRATO ISOLANTE?

16 i e i e

17 Parete omogenea con U=0,40 W/(m 2 K) costante e massa variabile Parete omogenea con Ms = 210 kg/m 2 costante e trasmittanza termica (U) variabile

18 Massa superficiale (Ms) o Trasmittanza termica periodica (YIE)? 8 cm CLS+9 cm EPS+8 cm CLS Massa superficiale (Ms) 220 kg/m 2 < 230 kg/m kg/m 2 > 230 kg/m 2 Trasmittanza termica stazionaria (U) 0,39 W/m 2 K 0,39 W/m 2 K Trasmittanza termica periodica (YIE) 0,06 W/m 2 K < 0,12 W/m 2 K 0,18 W/m 2 K > 0,12 W/m 2 K Sfasamento 14 ore 7 ore parete 1 parete Temperatura media sulla faccia interna della parete in funzione del tempo Parete 1 = parete in laterizio da 220 kg/m 2 Parete 2 = parete in cls-polistirene-cls da 289 kg/m 2 Migliore prestazione termica con controllo della Yie

19 Materiale Spessore [cm] Conduttività termica [W/m K] Densità [kg/m 3 ] Calore specifico [J/kg K] Intonaco esterno 1,5 0, Blocco laterizio forato 19 0, Intercapedine aria 1 0,067 1, Polistirene estruso 6 0, Tufo 10 0, Intonaco interno 1,5 0, Tufo all interno Tufo all esterno Spessore [cm] Trasmittanza U [W/m 2 K] 0,359 0,359 Massa superficiale (senza intonaco) M s [kg/m 2 ] 307,6 307,6 Trasmittanza periodica Y 12 [W/m 2 K] 0,050 0,058 Fattore decremento f [ ] 0,138 0,162 Sfasamento S [ore] 13,4 13,1 Capacità termica interna 1 [kj/m 2 K] 63,879 45,084 Capacità termica esterna 2 [kj/m 2 K] 62, ,945 Variazione percentuale parametri dinamici se lo strato di tufo viene posto all esterno invece che all interno

20 Regime passivo (senza impianto) 1-15 gennaio

21 Regime passivo (senza impianto) 1-15 luglio Portate di vapore scambiate nell ambiente 1 gennaio Con tufo all interno si manifesta un maggiore effetto di MOISTURE BUFFER

22 Superficie utile climatizzata di pavimento 143 [m 2 ]; volume netto climatizzato 494 [m 3 ]; rapporto di forma S/V 0,82 [m -1 ]. Studio di caso Edificio 1D proposto dal CTI Versione 3/4/2010 Soluzioni parete esterna con trasmittanza termica U=0,40 W/m 2 K Isolante interno Intonaco int 1,5 cm XPS 7 cm Pietra calcarea 40 cm Intonaco est -1,5 cm Isolante in mezzeria Isolante esterno Omogenea Intonaco int 1,5 cm Cemento cellulare 36 cm Intonaco est -1,5 cm Proprietà termofisiche dei materiali utilizzati Leggera Rivestimento metallico 0,6 cm XPS 7,7 cm Pannello gesso 1,3 cm Materiale Conduttività termica [ W/m K] Densità [ kg/m 3 ] Calore specifico c p [J/kg K] Cemento cellulare 0, Intonaco calce-cemento 0, Intonaco di gesso 0, Intonaco di gesso, leggero 0, Pietra calcarea 2, Rivestimento metallico leggero 0, XPS 0,

23 Raffrescamento Riscaldamento

24 Variazione percentuale rispetto alla soluzione con isolante in mezzeria Raffrescamento Riscaldamento DM del 26 giugno 2009 Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici Qualità dell involucro edilizio in regime estivo (primo metodo) EP e,invol [kwh/m 2 anno] Prestazioni Qualità prestazionale EP e,invol<10 ottime I 10EP e,invol<20 buone II 20EP e,invol<30 medie III 30EP e,invol<40 sufficienti IV EP e,invol40 mediocri V Qualità dell involucro edilizio in regime estivo (secondo metodo) Sfasamento [ore] Attenuazione Prestazioni Qualità prestazionale S>12 f <0,15 ottime I 12S<10 0,15 f <0,30 buone II 10S<8 0,30 f <0,40 medie III 8S<6 0,40 f <0,60 sufficienti IV 6S 0,60 f mediocri V Classificazione parete leggera: EP e,invol =19,97 kwh/m 2 anno Qualità prestazionale II (buona) f=0,988, S=1,1 ore Qualità prestazionale V (mediocre)

25 OSSERVAZIONI Fabbisogno energetico per riscaldamento è quasi lo stesso per tutte le pareti eccetto per la parete Leggera che dà un fabbisogno superiore del 4,5% a quello della parete di riferimento (con isolante in mezzeria). Potenza di picco la parete più performante è quella con isolante esterno (-2,2%), mentre la peggiore risulta la parete Leggera con un valore di potenza di picco superiore del 15,5% rispetto alla parete di riferimento. Questo è ovviamente legato ai valori di fattore di attenuazione e sfasamento per la parete Leggera, decisamente scarsi rispetto alle altre pareti. In presenza di uno strato isolante nella parete, la soluzione costruttiva più performante è quella che vede l isolante all esterno. In tal caso si riduce il fabbisogno energetico e la potenza di picco in riscaldamento, ma ancora maggiore risulta essere la riduzione degli stessi in raffrescamento. La prestazione di un componente di involucro va valutata attraverso l analisi complessiva del comportamento termico dell edificio in un determinato contesto climatico. Esiste una incongruenza nelle procedure di legge per la determinazione della qualità dell involucro edilizio. COMPORTAMENTO TERMOIGROMETRICO (UNI EN ISO 13788:2013) A) Parete esterna isolata a doppio paramento

26 COMPORTAMENTO TERMOIGROMETRICO (UNI EN ISO 13788:2013) B) Parete esterna monostrato Prestazioni termiche Spessore 39 cm 39 cm Massa superficiale (Ms) 205 kg/m kg/m 2 Trasmittanza termica stazionaria (U) < 0,36 W/m 2 K (zona D) Trasmittanza termica periodica (YIE) < 0,12 W/m 2 K 0,350 W/m 2 K 0,358 W/m 2 K 0,151 W/m 2 K 0,094 W/m 2 K Fattore di attenuazione (f) 0,433 0,263 Sfasamento 8h 29 11h 25 Classificazione secondo LINEE GUIDA NAZIONALI SULLA CERTIFICAZIONE ENERGETICA sufficiente buona

27 COMPORTAMENTO TERMOIGROMETRICO Condensa non presente COMPORTAMENTO TERMOIGROMETRICO

28 Una soluzione può essere l inserimento di una barriera al vapore, ovvero uno strato di piccolo spessore (frazione di mm) ad alta resistenza alla diffusione del vapore e con resistenza termica trascurabile, prima dello strato isolante (nel verso del flusso di vapore) L inserimento di una barriera al vapore deve essere valutato sempre molto attentamente. La riduzione della capacità traspirante della struttura può portare ad una riduzione dell asciugatura estiva e ad ostacolare lo smaltimento dell umidità di costruzione nelle strutture con impermeabilizzazione sul lato esterno rispetto all isolante UNA CATTIVA POSA IN OPERA DELLA BARRIERA AL VAPORE PUO PROVOCARE LA SUA ROTTURA IN UNO O PIU PUNTI MEGLIO MODIFICARE LA STRATIGRAFIA AGENDO SU MATERIALI E SPESSORI 1635,94 [Pa] 819,02 [Pa]

29 Necessità di analisi termoigrometrica in regime dinamico in grado di riprodurre il comportamento termoigrometrico della parete opaca nel corso del tempo (anni).

30 grazie per l attenzione

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