Il comportamento delle coperture ventilate in fase invernale

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1 Il comportamento delle coperture ventilate in fase invernale DI M. D Orazio DACS, Università Politecnica delle Marche Si riportano i risultati di una sperimentazione condotta con lo scopo di verificare l influenza della ventilazione delle coperture in laterizio sul comportamento invernale ai fini del contenimento dei consumi energetici. La sperimentazione dimostra come la ventilazione giochi un ruolo positivo se non eccessivamente elevata. Camere di limitata dimensione permettono infatti di contenere i flussi termici uscenti in fase invernale soprattutto per maggiori delta termici interno-esterno in relazione al fatto che sfruttano positivamente ed in maniera maggiore il riscaldamento del manto dovuto ai carichi radiativi. INTRODUZIONE Le coperture ventilate sono divenute, da diversi anni, una costante nel modo di costruire i tetti in laterizio in Italia, principalmente per l aspettativa di riduzione dei carichi termici estivi e, secondariamente, per il possibile miglioramento offerto in termini di prestazioni igrometriche e di durata. Il considerare prioritario il comportamento estivo ha tuttavia portato alcuni a tentare di massimizzare queste prestazioni realizzando coperture con camere di ventilazione di sezione particolarmente elevata. Se tale azione può risultare migliorativa del comportamento del sistema in fase estiva, come dimostrato dalle ricerche condotte sul tema negli ultimi anni, non altrettanto si può dire in relazione al comportamento invernale. L incremento della camera di ventilazione può, infatti, determinare, in fase invernale, un abbassamento delle temperature nel condotto rispetto a coperture senza ventilazione, aspetto che si traduce in un teorico, possibile peggior comportamento (aumento dei flussi termici interno-esterno). Vista l importanza che oggi, anche in relazione al D.Lgs. 311/06, sta assumendo il contenimento dei consumi energetici in fase invernale, si è tentato di valutare l influenza della camera di ventilazione sul comportamento, in questo periodo, di coperture ventilate. In particolare, si è condotta una sperimentazione su 4 tipologie di coperture che ha permesso di ricavare la relazione esistente tra flussi termici trasmessi e sezione di ventilazione. Si sono, quindi, confrontati i dati di sperimentazione con i valori di calcolo suggeriti dalla UNI EN I risultati evidenziano come il mantenimento di ridotte sezioni del canale di ventilazione produca degli effettivi vantaggi in fase invernale. Ciò dipende dal fatto che la diversa sezione del canale di ventilazione determina differenti temperature nell intercapedine e, conseguentemente, differenti flussi termici nelle coperture a parità di stratigrafia ma con differente sezione di ventilazione. LE TECNOLOGIE DI COPERTURA ANALIZZATE Il presente lavoro si basa sui risultati ottenuti da una condotta su di un edificio sperimentale realizzato in Ancona. In figura 1, è riportato l edificio sperimentale costituito da due livelli di 35 m 2 ciascuno. Il livello superiore è conformato in modo da assumere le caratteristiche dimensionali di un ambiente sottotetto. All interno dell edificio sono state riprodotte, mediante termoconvettori e immissione diretta di vapore, le condizioni ambientali tipiche di un utilizzo abitativo con due cicli di riscaldamento di 4 ore ciascuno. L edificio ha in copertura due falde. La prima, lunga 6 m e larga 5 m, con esposizione nord, ospita 4 differenti sistemi di coperture ventilate, divisi tra di loro da canali a tenuta. La seconda falda, opposta alla Fig. 1 - Edificio sperimentale con le 5 tipologie di coperture: 4 ventilate, 1 non ventilata (Ancona). 264

2 Copertura prima e con esposizione nord, ospita una copertura con elementi in laterizio allettati su malta e quindi con ventilazione impedita. In tabella I, sono riportati i dati descrittivi delle sezioni dei condotti. Sulla base di precedenti sperimentazioni [D Orazio, 2002], rilevata l impossibilità di utilizzare i dati provenienti dall acquisizione diretta delle velocità dell aria per la stima della quantità di calore dissipata, si è impostata l acquisizione mediante il rilievo diretto delle grandezze termiche. In particolare, per ogni tipologia di copertura si sono rilevate le temperature sulla superficie all intradosso del solaio, sulla superficie dell isolante (lato interno della camera di ventilazione) e la temperatura dell aria nel condotto. Si sono utilizzate, a tale scopo, termoresistenze preventivamente tarate con precisione superiore a 0.25 C. All interno, sono state registrate le temperature e le UR% a 1,8 m di altezza al centro dell ambiente. I dati sono stati rilevati in Tab. I - Principali dimensioni geometriche delle coperture ventilate analizzate. Sezione di ventilazione (mm) Lunghezza falda (m) Esposizione A sud B sud C sud D - 6 sud M fissaggio con malta 3 nord continuo con frequenza di acquisizione di 1 minuto per l intero periodo invernale della sperimentazione. LA PROCEDURA DI CALCOLO DELLA UNI EN ISO 6496 La prima fase della è consistita nella valutazione delle trasmittanze di coperture a diverso grado di ventilazione e non ventilate, secondo le procedure di calcolo indicate dalla UNI EN ISO 6496 (norma da seguire per la valutazione delle trasmittanze ai sensi del D.Lgs. 311/06). Quest ultima permette, in particolare, di ricavare la resistenza termica di coperture e pareti anche ventilate quando l intercapedine è delimitata da due facce parallele, perpendicolari alla direzione del flusso termico, con un emissività non minore di 0,8, e se il suo spessore (nella direzione del flusso termico) è minore del 10% delle altre due dimensioni e comunque minore di 0,3 m. La norma definisce intercapedini d aria debolmente ventilate quelle per le quali la sezione di ventilazione non supera i 1500 mm 2 per metro di lunghezza e fortemente ventilate quelle per le quali si supera il valore soglia di 1500 mm 2 per metro di lunghezza. Nel primo caso, per sezioni comprese tra 15 e 300 mm di altezza si assume una resistenza termica dell aria in intercapedine pari alla metà del valore di intercapedini non ventilate e quindi 0,08 (m 2 K/W). Nel secondo caso, si considera necessario trascurare il contributo dell aria in intercapedine e del manto superiore e si richiede di assegnare una resistenza superficiale pari a quella dell aria in quiete. In figura 2, sono riportate le curve che rappresentano l andamento dei valori di trasmittanza per coperture con solaio ligneo e EPS, ma con diversa ventilazione (non ventilate, debolmente ventilate e fortemente 0,65 0,6 0,55 Trasmittanza U [W/m 2 K] 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 non ventilata ventilata fortemente ventilata limite trasm Zone A,B,C limite trasm Zona D limite trasm Zona E limite trasm Zona F 0,2 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 Spessore isolante (EPS) su solaio in legno [m] Fig. 2 - Andamento delle trasmittanze di calcolo per coperture con diversa ventilazione in funzione dello spessore di isolante per coperture con solaio ligneo ed EPS. Si riportano a confronto i limiti di trasmittanza previsti dal D.Lgs. 311/06 per il

3 ventilate) in funzione dello spessore di isolante ed a confronto con i valori limite del D.Lgs.311/06. Si evidenzia immediatamente come le variazioni di trasmittanza date dalla tipologia di ventilazione, da considerare secondo la norma siano estremamente contenute. Per trasmittanze ante D.Lgs. 311/06 si hanno variazioni massime del 12% (scostamento tra copertura non ventilata e fortemente ventilata). Spostandosi verso valori di trasmittanza pari o inferiori a quelli limite per il 2010, si hanno scostamenti che non superano il 5-6%. Leggendo ora il grafico in termini di spessore di isolamento richiesto per raggiungere la stessa prestazione (valore limite di trasmittanza da norma) per coperture a diversa ventilazione, si evidenzia il fatto che la ventilazione risulta negativa in fase invernale, in quanto, a parità di tipologia di solaio, è necessario incrementare lo spessore di isolante del 10-20% (a seconda della trasmittanza di riferimento) in una copertura fortemente ventilata per raggiungere la prestazione di una copertura non ventilata. EFFETTI DELLA DIMENSIONE DELLA CAMERA DI VENTILAZIONE SUL COMPORTAMENTO IN FASE IN- VERNALE Rilevato il fatto che il D.Lgs. 311/06 impone di fatto spessori di isolanti maggiori nel caso di coperture ventilate, si è passati ad indagare il comportamento, in fase invernale, di coperture con diversa ventilazione ma con la stessa tipologia di solaio e dimensione di isolante. Come primo passo, si è analizzato il comportamento in un tipico giorno invernale. La figura 3 riporta l andamento delle temperature dell aria nei condotti rilevate in un giorno di fine febbraio. È interessante osservare la dinamica del sistema. Le temperature dell aria nei condotti tendono, a seguito dell accensione del riscaldamento, ad innalzarsi in modo uniforme e ad appiattirsi, nelle ore centrali della giornata, su valori particolarmente elevati, presumibilmente anche in relazione al carico radiativo esterno, già significativo nel periodo. La differenziazione tra le diverse coperture si registra, invece, solo nella fase di raffreddamento, con lo spegnimento dell impianto di riscaldamento. In questa fase, la temperatura dell aria nei condotti di ventilazione tende a diversificarsi fortemente: le coperture a minore sezione di ventilazione manifestano temperature dell aria sensibilmente più elevate. Aspetto, questo, che evidenzia come la minore sezione di ventilazione appaia positiva in fase invernale. La figura 4 riporta gli istogrammi dei flussi termici rilevati e permette di avere una rappresentazione più ampia, in termini temporali, di quanto prima osservato. In particolare, è possibile vedere come si distribuiscano, per ogni copertura, i flussi termici uscenti (hanno per questo valore negativo) durante la stagione invernale. Si evidenzia con chiarezza lo spostamento del valore medio dei flussi termici rilevati verso valori maggiori in relazione alla sezione della camera di ventilazione. Appare chiaro, altresì, come la coda di valori di flusso termico negativo particolarmente elevati (8-10 W/m 2 ) tenda a ridursi fortemente con la riduzione della sezione di ventilazione. È interessante osservare qui il comportamento della copertura tipo D, che manifesta flussi termici uscenti inferiori alle altre tre coperture. Questa, a differenza dalle altre coperture, si caratterizza per una camera di ventilazione minimale e legata solo al sistema di appoggio del manto in laterizio, nonché per un lieve Fig. 3 - Andamento delle temperature dell aria nei condotti, rilevate in una giornata di fine inverno (febbraio). 266

4 Fig. 4 Flussi termici, uscenti dai canali di ventilazione per le diverse coperture indagate, rilevati nel periodo invernale. incremento dello spessore del tavolato ligneo rispetto alle altre soluzioni indagate, realizzato al fine di garantire la planarità del manto. Infine, la figura 5 riporta la relazione esistente tra sezione del canale di ventilazione e flussi medi uscenti. Si nota come il raddoppio della sezione di ventilazione (da 300 a 600 cm 2 per metro lineare) porti ad incrementi nel flusso termico medio superiori al 30%. Ne deriva quindi, a conclusione, la necessità di ridurre la sezione di ventilazione al fine di contenere i flussi termici uscenti in fase invernale. Allo scopo di individuare la sezione ottimale nel bilanciamento tra il comportamento in fase invernale e quello estivo, si è analizzato anche il comportamento estivo delle stesse coperture. La figura 6 riporta l andamento dei flussi termici rilevati per le 4 coperture in un giorno di luglio. Appare evidente come la minore sezione di ventilazione determini riduzioni significative nei flussi termici entranti nelle ore a maggiore irraggiamento e, più limitatamente, nella fase di raffreddamento dopo il passaggio del picco di irraggiamento. Nelle ore di picco, le differenze massime registrate tra la copertura tipo A e tipo C (massima differenza nella sezione di ventilazione) sono dell ordine del 25%. Ma queste differenze si attenuano molto confrontando le coperture tipo B e tipo C (media e massima sezione di ventilazione). Ciò giustifica l ipotesi che non occorre, in fase estiva, forzare l altezza della camera di ventilazione in quanto ciò non determina, oltre certe sezioni, significativi vantaggi da un punto di vista del possibile comfort estivo, incrementando al contrario la criticità riscontrata in fase invernale. CONFRONTO TRA DATI SPERIMENTALI E VALORI DI CALCOLO DELLA UNI EN 6496 Utilizzando i valori di calcolo della norma, relativamente alle trasmittanze delle coperture poste a C Var. % flusso termico uscente B A Sezione di ventilazione [cm 2 /m] Fig. 5 - Variazione del flusso termico uscente in fase invernale in relazione all incremento della camera di ventilazione per le coperture A,B,C. La A ha una sezione di poco superiore ai 300 cm 2 /m; la C ha una sezione di ventilazione maggiore di 600 cm 2 /m; la B ha una sezione intermedia. 267

5 confronto, ed i delta termici interno-esterno ottenuti sperimentalmente, si sono ricavati i valori di flusso termico teorici per le coperture stesse nelle 3 ipotesi: copertura non ventilata, copertura debolmente ventilata, copertura fortemente ventilata. Questi sono stati, quindi, posti a confronto con i flussi termici misurati sperimentalmente per le coperture a diversa sezione del canale di ventilazione (fig. 7). Emerge immediatamente come la norma risulti sempre cautelativa per i delta termici più elevati. I flussi energetici ottenuti dal prodotto delle trasmittanze fornite dalla norma per i delta termici rilevati sperimentalmente sull edificio di prova costituiscono, infatti, il limite inferiore ai valori ottenuti sperimentalmente, per delta termici interno-esterno superiori ai 12 C (quindi tutti quelli di progetto previsti dalla vigente legislazione italiana). Nello stesso tempo, però, si evidenzia anche il fatto che i flussi termici reali per le coperture ventilate analizzati sperimentalmente sono inferiori a quelli derivanti dalle procedure di calcolo, in quanto la presenza del manto determina un riscaldamento dell aria nel condotto non rilevato dall ipotesi di calcolo della UNI EN Confrontando ora il comportamento delle differenti coperture ventilate, si conferma quanto prima indicato: le coperture che si avvicinano maggiormente 12 al limite cautelativo dato dalla UNI EN 6496 sono quelle a maggior dimensione della camera di ventilazione. Coperture a minore sezione della camera appaiono sfruttare maggiormente l influenza dei carichi radiativi esterni in termini di maggior scostamento delle temperature dell aria nel condotto rispetto alla temperatura dell aria esterna. CONCLUSIONI La sperimentazione condotta dimostra come la norma indicata per il calcolo della trasmittanza delle coperture ventilate, pur fornendo valori cautelativi (e quindi utili per il progettista), tenda a schiacciare le differenze esistenti tra le varie coperture ed a far considerare negativamente la presenza della ventilazione ai fini del contenimento dei consumi energetici in fase invernale. È necessario, infatti, incrementare lo spessore di isolante per ottenere la stessa trasmittanza di una copertura fortemente ventilata rispetto ad una non ventilata. In realtà, dalla sperimentazione appare evidente come la ventilazione giochi un ruolo positivo solo se non eccessivamente elevata. Camere di limitata dimensione permettono, infatti, di contenere i flussi termici uscenti in fase invernale, soprattutto per maggiori delta termici interno-esterno in relazione al fatto che sfruttano positivamente ed in maniera maggiore il riscaldamento del manto dovuto ai carichi radiativi. 10 Copertura B 8 Flussi termici [W/m 2 ] Copertura A Copertura C Copertura D Fig. 6 Andamento dei flussi termici, uscenti dai canali di ventilazione per le diverse coperture indagate, per un giorno tipo del mese di luglio. 268

6 0-2 Flussi termici [W/m 2 ] B C NV DV FV Delta termico esterno/interno ( C) Fig. 7 - Flussi termici rilevati sperimentalmente per le coperture B e C a confronto con i valori di calcolo forniti dalla UNI EN ISO 9640 (B = 443 cm 2 /m; C = 615 cm 2 /m; NV = non ventilata; DV = debolmente ventilata; FV = fortemente ventilata). Le coperture, essendo state realizzare ante D.Lgs. 192 e 311, presentano spessori di isolamento limitati che giustificano gli alti valori di flusso rilevati. BIBLIOGRAFIA [1] M. D Orazio, C. Di Perna, A. Stazi, P. Principi, Effects of roof tile permeability on the thermal performance of ventilated roofs: Analysis of annual performance, Energy and Buildings, 40, delle coperture ventilate: caratterizzazione sperimentale e verifica analitica del comportamento in diverse zone climatiche, in atti del Convegno Costruire l architettura, i materiali, le tecniche, i componenti, Napoli, [2] ASHRAE, Fundamentals Handbook, NY, [3] Naylor, Floriyan e Tarasuk, A numerical study of developing free convection between isothermal vertical plates, in Transaction of the ASME, vol. 113, [4] Sandberg e Moshfegh, Ventilated-solar roof air flow and heat transfer investigation, in Renewable Energy, vol. 15, [5] Silberstein, Hens, Effects of Air and Moisture Flows, on Thermal Performance of Insulation, in Ventilated Roofs and Walls Journal of Thermal Insulation and Building Envelopes, vol. 19, aprile [6] Carsten Rode Pedersen, Thermal performance of building roof elements, in Building and Environment, [7] M. D Orazio, A. Stazi, C. Di Perna, Carbonari, Alla del dimensionamento, Modulo 252, BeMa ed. Milano, [8] M. D Orazio, A. Stazi, D. Giancarli, La progettazione [9] M. D Orazio, La progettazione delle coperture ventilate in laterizio, in Costruire in laterizio, luglio-agosto [10] G. Zannoni, Aria alle tegole, in Modulo n. 219 marzo [11] G: Zannoni, Il tetto monitorato, in Modulo n. 248 febbraio [12] G. Zannoni, Simionato, Il colmo per le coperture ventilate, in Modulo n. 261, maggio [13] Brunello, Peron, Modelli per l analisi del comportamento fluidodinamico delle facciate ventilate, in Atti del 51 Congresso ATI Ringraziamenti Si ringrazia vivamente l Ing. Costanzo Di Perna per la discussione relativa alla valutazione e interpretazione dei risultati della condotta. 269