nzeb NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l energia sostenibile, un primo passo verso il 2020

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1 CONCETTI DI FISICA TECNICA APPLICATA AGLI EDIFICI ING. MASSIMO MARANI ARCH. ALESSANDRA BIANCHI ARCH. MARCO BONI ARCH. STEFANO BELCAPO ING. SERGIO SAGGINI

2 PRINCIPI DI TRASMISSIONE DEL CALORE Il fabbisogno di energia di un edificio durante il periodo di riscaldamento è la quantità di energia necessaria per soddisfare il fabbisogno di calore ai fini del benessere termico.

3 SI DEFINISCONO fabbisogno di calore per il riscaldamento (Q h ) [kwh/(m 2 a)] E la quantità di calore, di cui ha bisogno una unità abitativa per mantenere la temperatura di progetto negli ambienti riscaldati. E dato dalla differenza fra le dispersioni termiche complessive e i guadagni termici complessivi. fabbisogno finale di energia (Q E ) [kwh/(m 2 a)] E la somma dell energia fornita al sistema di riscaldamento per soddisfare il fabbisogno di calore e dell energia necessaria per la produzione di acqua calda. Tale valore considera anche il rendimento dell impianto di riscaldamento e le dispersioni del sistema di produzione dell acqua calda. fabbisogno di energia primaria (Q P ) [kwh/(m 2 a)] E la somma del fabbisogno finale di energia (Q E ) e dell energia necessaria per l estrazione, la trasformazione e la distribuzione del combustibile utilizzato (es.: gas, gasolio).

4 SI DEFINISCONO fabbisogno di calore per il riscaldamento (Q h ) [kwh/(m 2 a)] E la quantità di calore, di cui ha bisogno una unità abitativa per mantenere la temperatura di progetto negli ambienti riscaldati. E dato dalla differenza fra le dispersioni termiche complessive e i guadagni termici complessivi. fabbisogno finale di energia (Q E ) [kwh/(m 2 a)] E la somma dell energia fornita al sistema di riscaldamento per soddisfare il fabbisogno di calore e dell energia necessaria per la produzione di acqua calda. Tale valore considera anche il rendimento dell impianto di riscaldamento e le dispersioni del sistema di produzione dell acqua calda. fabbisogno di energia primaria (Q P ) [kwh/(m 2 a)] E la somma del fabbisogno finale di energia (Q E ) e dell energia necessaria per l estrazione, la trasformazione e la distribuzione del combustibile utilizzato (es.: gas, gasolio).

5 BILANCIAMENTO ENERGETICO EDIFICIO

6 BILANCIAMENTO ENERGETICO EDIFICIO

7 MECCANISMI DI TRASMISSIONE DEL CALORE La trasmissione di calore avviene attraverso tre meccanismi: CONDUZIONE TERMICA, CONVEZIONE TERMICA, IRRAGGIAMENTO TERMICO.

8 La conduzione termica è lo scambio di calore che avviene all interno di mezzi solidi, liquidi o gassosi, quando, a causa di una differenza di temperatura, viene trasferita energia cinetica da molecole situate in regioni a temperatura maggiore verso altre molecole in aree adiacenti a temperatura più bassa. Il trasferimento di energia avviene per contatto molecolare, senza spostamento delle particelle.

9 La convezione termica è lo scambio di calore che avviene quando almeno uno dei due corpi interessati allo scambio termico è un fluido (mezzo liquido o gassoso) in movimento. Il calore viene trasmesso per effetto del trasferimento di materia. Il fenomeno si verifica quando un fluido entra in contatto con un corpo a temperatura maggiore rispetto a quella del fluido stesso. Con l aumento della temperatura il fluido si espande, la sua densità diminuisce e, per effetto della spinta di Archimede, sale, in quanto meno denso del fluido a temperatura più bassa che lo circonda. Ciò genera moti convettivi in cui il fluido caldo sale verso l alto e quello freddo si sposta verso il basso (convezione naturale). Quando i movimenti delle particelle del fluido sono imposti da cause meccaniche (pompa o ventilatore) si parla di convezione forzata.

10 L irraggiamento termico è la trasmissione di calore tramite la radiazione elettromagnetica emessa dalla superficie di un corpo ad una determinata temperatura verso un corpo a temperatura inferiore. La trasmissione del calore avviene senza contatto tra i due corpi e senza bisogno di un mezzo per propagarsi; quindi avviene anche nel vuoto. Tutti i corpi emettono e assorbono radiazioni elettromagnetiche che trasportano energia: quando queste radiazioni raggiungono un corpo, sono assorbite, determinano l aumento dell energia cinetica delle molecole e il conseguente incremento della temperatura. La trasmissione non dipende dalla distanza, ma dalla temperatura dei due corpi e dalle caratteristiche delle loro superfici. La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura. A basse temperature l irraggiamento contribuisce in modo trascurabile allo scambio di calore rispetto ai meccanismi di conduzione e convezione; all aumentare della temperatura cresce il contributo dell irraggiamento rispetto agli apporti dovuti a conduzione e convezione.

11 La conduttività termica (λ) è una proprietà termofisica del materiale ed indica la quantità di calore che, per conduzione, in regime stazionario, attraversa uno strato di una sostanza di superficie unitaria (1 m 2 ) perpendicolarmente alla superficie, nell unità di tempo (1 s), quando la differenza di temperatura tra le due superfici dell elemento è unitaria (1 K). L unità di misura è W/(mK). Il regime stazionario prende in considerazione grandezze costanti nel tempo e trascura gli effetti derivanti dall accumulo termico della struttura. Nel regime variabile, invece, le grandezze si modificano nel tempo e la struttura attenua o ritarda l onda termica in funzione delle proprie caratteristiche di accumulo termico. Il regime stazionario rappresenta correttamente i fenomeni di trasmissione di calore durante il periodo invernale; è necessario considerare il regime variabile nel periodo estivo, in cui si verificano rilevanti oscillazioni di temperatura giornaliera e di radiazione solare. La conduttività termica indica la capacità teorica di un materiale omogeneo a lasciarsi attraversare dal calore.

12 LA CAPACITÀ ISOLANTE DI UN MATERIALE È INVERSAMENTE PROPORZIONALE ALLA SUA CONDUTTIVITÀ TERMICA. La conduttività termica di un materiale dipende: dalla struttura del materiale (composizione, porosità). I materiali cristallini hanno elevati valori di conduttività in quanto nella struttura molecolare ordinata le oscillazioni molecolari si propagano con minime dispersioni di energia. I materiali porosi contengono numerose cavità riempite d aria. La forma, la dimensione e la distribuzione dei pori influiscono sulla capacità termica. Forma: i pori sferici hanno migliore conducibilità dei pori allungati. Dimensione: molti pori di piccole dimensioni hanno migliore conducibilità di pochi pori di grandi dimensioni. Distribuzione: una distribuzione omogenea determina una migliore conduttività rispetto ad una distribuzione disomogenea. Il diagramma mostra la relazione tra la densità del materiale e la conduttività termica: maggiore è la densità del materiale, minore è la sua capacità isolante.

13 I materiali inorganici (roccia, metalli) hanno conduttività maggiore rispetto ai materiali organici naturali (legno) e di sintesi (polimeri). I materiali solidi presentano valori di conduttività termica elevati in quanto le molecole sono vicine tra loro e il calore si trasmette in modo più efficiente. Nei materiali liquidi i legami intermolecolari sono allentati e quindi le molecole possono muoversi liberamente e urtarsi fra di loro. La trasmissione nei gas avviene per collisione fra molecole distanti fra loro; i gas, quindi, presentano valori di conduttività più bassi rispetto a quella dei liquidi e questi, a loro volta, inferiore a quella dei solidi. L umidità aumenta la conduttività. Se i pori di aria sono riempiti di acqua si determina un aumento della trasmissione del calore alla temperatura del materiale. Nei solidi e nei liquidi, generalmente, la conduttività termica aumenta al crescere della temperatura. Nei gas, invece, quando la temperatura aumenta la conduttività diminuisce a causa dell incremento dell agitazione molecolare, con conseguente intralcio fra le molecole. Si definiscono materiali isolanti i materiali solidi generalmente non omogenei caratterizzati da una bassa conduttività termica; ciò è dovuto alla presenza di aria nelle porosità del materiale stesso. La normativa UNI EN ISO riporta i valori di conduttività termica dei principali materiali da costruzione.

14 TRASMITTANZA TERMICA U La trasmi)anza termica U è il parametro principale u4lizzato per calcolare le dispersioni termiche a)raverso l involucro edilizio. Rappresenta il flusso di calore che a)raversa una superficie unitaria so)oposta a differenza di temperatura pari ad 1 C. La sua unità di misura è il W/m 2 K. La norma di riferimento per il calcolo della trasmi)anza termica è la UNI EN ISO 6946:2008. CONDUTTIVITA TERMICA λ La condurvità termica indicata con la le)era greca λ è una misura della qualità di una sostanza a trasme)ere il calore. E il rapporto, in condizioni stazionarie, tra il flusso di calore e il gradiente della temperatura che provoca il passaggio di temperatura. Dipende solo dalla natura del materiale e non dalla sua forma. Per i più comuni materiali da costruzione le norme di riferimento sono la UNI 10351:1994 e la UNI EN ISO 10456:2008. La unità di misura è il W/mK

15 TRASMITTANZA TERMICA U La trasmi)anza termica U è il parametro principale u4lizzato per calcolare le dispersioni termiche a)raverso l involucro edilizio. Rappresenta il flusso di calore che a)raversa una superficie unitaria so)oposta a differenza di temperatura pari ad 1 C. La sua unità di misura è il W/m 2 K. La norma di riferimento per il calcolo della trasmi)anza termica è la UNI EN ISO 6946:2008. CONDUTTIVITA TERMICA λ La condurvità termica indicata con la le)era greca λ è una misura della qualità di una sostanza a trasme)ere il calore. E il rapporto, in condizioni stazionarie, tra il flusso di calore e il gradiente della temperatura che provoca il passaggio di temperatura. Dipende solo dalla natura del materiale e non dalla sua forma. Per i più comuni materiali da costruzione le norme di riferimento sono la UNI 10351:1994 e la UNI EN ISO 10456:2008. La unità di misura è il W/mK

16 Conducibilità termica λ in W/(mK) dei comuni materiali da costruzione: Spessore del materiale da costruzione in m per un valore "U" di 0,25 W/(m²K) 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,16 0,40 0,52 0,64 1,68 8,00 mat. isolante mattone extra conifera mattone poroso mattone calcestruzzo λ = 0,04 0,10 0,13 0,16 0,42 2,00

17 Conducibilità termica λ in W/(mK) dei materiali isolanti: 30 Spessore materiali isolan? in cm per un valore "U" di 0,20 W/(m²K) ,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 polieur. lana di roccia EPS fibra di legno vetro cellulare schiuma minerale perlite λ = 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060

18 Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946 U = 1 / R T [W/(m²K)] con R T = R si + R + R se interno 20,0 C 1 17,3 C 2 3 esterno R si R se - 9,1 C - 10,0 C Struttura dei componenti edili: 1 Intonaco in gesso: 0,015 m; λ = 0,35 W/(mK) 2 Mattone multifori : 0,365 m; λ = 0,30 W/(mK) 3 Intonaco in cemento di calce: 0,020 m; λ = 0,87 W/(mK)

19 Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946 U = 1 / R T [W/(m²K)] con R T = R si + R + R se R = (0,015 : 0,35) + (0,365 : 0,30) + (0,02: 0,87) = 1,283 (m²k)/w R T = R si + R + R se = 0,13 + 1, ,04 = 1,453 (m²k)/w U = 1 : 1,453 (m²k)/w = 0,69 W/(m²K)

20 Calcolo approssimativo dei valori "U" Un mattone dello spessore di 36,5 cm ha un λ molto piccolo pari a 0,10 W/(mK), ovvero: 0,365 m : 0,10 W/(mK) = 3,65 (m²k)/w U = 1 : 3,65 (m²k)/w = 0,27 W/(m²K) Un materiale isolante dello spessore di 15 cm ha un valore tipico λ di 0,04 W/(mK), ovvero.: 0,150 m : 0,04 W/(mK) = 3,75 (m²k)/w U = 1 : 3,75 (m²k)/w = 0,27 W/(m²K) 15 cm di materiale isolante portano allo stesso risultato di 36,5 cm dei migliori mattoni che sono sul mercato.

21 Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946 interno U = 0,26 W/(m²K) esterno interno U = 0,22 W/(m²K) esterno Classica parete esterna monolitica: 1 base di calcegesso: 0,015 m; λ = 0,70 W/(mK) 2 blocco porizz: 0,365 m; λ = 0,10 W/(mK) 3 intonaco in cemento di calce; λ = 1,00 W/(mK) Parete esterna ottimizzata con WDVS (o strato termico): 1 intonaco in calcegesso: 0,015 m; λ = 0,70 W/(mK) 2 mattone multifori: 0,240 m; λ = 0,32 W/(mK) 3 isolamento termico: 0,140 m; λ = 0,040 W/(mK) 4 intonaco in cemento di calce: 0,020 m; λ = 1,00 W/(mK)

22 Calcolo dei valori "U delle strutture della scuola PARETE ESTERNA PIANO TERRA interno U =? esterno STRATIGRAFIA 1 intonaco esterno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ; 2 murature: 96 cm; λ = 1,5 W/(mK); C= 3,750 W/(m 2 K); d= 2000 Kg/m 3 ; R T = 1/C; C p = 1200,00 J/Kg*K; 3 intonaco interno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ;

23 PARETE ESTERNA PIANO PRIMO interno U =? esterno STRATIGRAFIA 1 intonaco esterno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ; 2 murature: 71 cm; λ = 1,5 W/(mK); C= 3,750 W/(m 2 K); d= 2000 Kg/m 3 ; R T = 1/C; C p = 1200,00 J/Kg*K; 3 intonaco interno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ;