Involucro trasparente

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1 UNIVERSITÀ IUAV DI VENEZIA CLAMARCH indirizzo Conservazione Laboratorio integrato 2 Modulo di impianti tecnici nell edilizia storica Anno Accademico Involucro trasparente contatto interno-esterno ingresso luce naturale ingresso radiazione solare 2 1

2 Limiti dei sistemi vetrati dispersioni termiche carichi termici estivi abbagliamento fonoisolamento 3 Componenti vetrati Le facciate vetrate si relazionano con il contesto urbano: - riflessione luminosa - riflessione termica Come cambia il microclima esterno? 4 2

3 Involucro edilizio e risparmio energetico Per impostare una corretta strategia di risparmio energetico primo e fondamentale passo è non disperdere energia: minori dispersioni invernali minori carichi estivi La progettazione corretta dei sistemi vetrati risulta estremamente importante nel contenimento del fabbisogno energetico degli edifici. Clima freddo: controllo delle dispersioni invernali; favorire l ingresso della radiazione solare Clima caldo o edifici con elevati carichi interni: controllo dei carichi solari Clima moderato: controllo sia delle dispersioni che dei carichi solari. 5 Prestazioni dei sistemi vetrati in edilizia Prestazioni luminose, energetiche e termiche delle vetrate per edilizia: TRASMISSIONE della luce TRASMISSIONE dell energia solare RIFLESSIONE luce e energia solare ISOLAMENTO TERMICO ISOLAMENTO ACUSTICO PERMEABILITA all aria 6 3

4 UNIVERSITÀ IUAV DI VENEZIA CLAMARCH indirizzo Conservazione Laboratorio integrato 2 Modulo di impianti tecnici nell edilizia storica Anno Accademico Proprietà termiche Componenti vetrate: trasmittanze limite DPR 59/09 ribadisce i limiti previsti per le trasmittanze termiche dal D.Lgs.192/05 come modificato dal D. Lgs. 311/06 - Allegato C Zona climatica U - Finestra W/(m 2 K) A 4,6 B 3,0 C 2,6 D 2,4 E 2,2 F 2,0 8 4

5 Caratterizzazione: prestazioni termiche U-value UNI EN ISO , Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 1: Generalità Uw Ug Ag Uf Af glg Ag Af 9 Le dispersioni termiche: la trasmittanza dei componenti vetrati Il vetro ha una conducibilità intorno a 1 W/(m K): non è un materiale isolante; gli spessori con cui si usa sono però limitati, 4-6 mm, per cui la resistenza termica risultante è bassa, 0,04-0,06 m 2 K/W. La trasmittanza U risultante per una lastra semplice con gli usuali valori per i coefficienti di adduzione [h i =7,7 W/(m 2 K), h e =25 W/(m 2 K)] intorno a 5.7 W/(m 2 K). Per aumentare le proprietà di isolamento si sono introdotte le cosiddette vetrocamere ossia una coppia di lastre con interposta un intercapedine riempita di gas il quale presenta bassa conducibilità - aria, argon xenon, kripton. 10 5

6 Le dispersioni: le vetrocamere 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 11 Caratterizzazione: prestazioni termiche U-value o Ug Isolare termicamente significa contrastare: Conduzione Convezione Irraggiamento Convezione Esterno Conduzione Conduzione Interno Convezione Ug 1 he 1 1 ht 1 hi Irraggiamento Irraggiamento Irraggiamento Convezione N M 1 1 t 1 hr hg 1 h d j rj Vetrata UNI EN ISO

7 3 1 h r 4T m 1 1 ( 1 2 hg Nu s n Nu A( Gr Pr) c p Pr a 1) Esterno Convezione Irraggiamento conduzione convezione radiazione Interno Convezione Irraggiamento 2 g T L Gr 2 r j 1 j 3 Sistema vetrato conduzione UNI EN ISO Isolare significa contrastare: Conduzione - lo strato di gas ha conducibilità bassa: aria 0,026 W/mK Convezione i gas nobili hanno bassa mobilità e quindi limitano la convezione Irraggiamento le superfici con bassa emissività scambiano poca energia 1, T 1 1 > 2 T 1 T

8 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 Lastra singola 5.7 Doppia Tripla Muratura 30 cm 1 Valori calcolati secondo UNI EN ISO 673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm 15 Vetri bassoemissivi 16 8

9 U-value per sistemi bassoemissivi U value (W/m 2 K) Aria Argon Kripton Doppia float Doppia Ag-Ag Tripla float Tripla Ag-Ag 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 = UNIVERSITÀ IUAV DI VENEZIA CLAMARCH indirizzo Conservazione Laboratorio integrato 2 Modulo di impianti tecnici nell edilizia storica Anno Accademico Proprietà ottiche 9

10 La radiazione solare Arch. Francesca Cappelletti Università IUAV di Venezia La radiazione solare è costituita da diverse tipologie di onde elettromagnetiche. Circa il 50% è nel campo IR, il 44% nel visibile e il 7% nell UV. Oltre i 2-3 m si ha solo un 1%. 19 Caratterizzazione: prestazioni radiative Il comportamento dei materiali nei confronti della radiazione è quantificato dai coefficienti: di assorbimento di riflessione di trasmissione a = G ass / G inc r = G rifl / G inc t = G trasm / G inc energia incidente energia riflessa Per il principio di conservazione dell energia vale: G ass + G rifl + G trasm = G inc a G inc + r G inc + t G inc = G inc t + r + a = 1 energia assorbita energia trasmessa 20 10

11 Trasmittanza (%) 29/03/2011 Caratterizzazione: prestazioni radiative I coefficienti sono funzione della lunghezza d onda e dell angolo di incidenza q della radiazione incidente r = r(,q) t = t(,q) a = a(,q) 21 Parametri ottici: e, e, v, v 100 UV visibile visibile infrarosso Solare: visibile + IR + UV 80 v Chiaro 20 Grigio e Bronzo Verde Lunghezza d'onda (nm) 22 11

12 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 radiazione e convezione con l interno; scambiata per FS ( τ I) c( α I) I I (1-c) ai ai I c ai) 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. 23 Parametri energetici: fattore solare FS o g 24 12

13 Parametri energetici: coefficiente di shading Cs Corrisponde al rapporto tra il fattore solare del vetro considerato e quello di una lastra di riferimento (lastra chiara 3 mm g pari a 0,89): Cs Fs F s, rif Fs 0,89 F s C s F C s, rif s 0,89 25 DPR Valori limite di legge Art. 4,comma 20 Nel caso di ristrutturazione di edifici esistenti di cui all'articolo 3, comma 2, lettera c), numeri 1) e 2), del decreto legislativo, per tutte le categorie di edifici, così come classificati in base alla destinazione d'uso all'articolo 3, del DPR 26 agosto 1993, n. 412, ad eccezione delle categoria E.6 ed E.8, il progettista, al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti, valuta puntualmente e documenta l'efficacia dei sistemi filtranti o schermanti delle superfici vetrate, tali da ridurre l'apporto di calore per irraggiamento solare. Gli eventuali impedimenti di natura tecnica ed economica all'utilizzo dei predetti sistemi devono essere evidenziati nella relazione tecnica di cui al comma 25. La predetta valutazione può essere omessa in presenza di superfici vetrate con fattore solare (UNI EN 410) minore o uguale a 0,

14 Alcune regole di progettazione.. 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 v almeno 0,7 F s almeno 0,6 U al più 2,0 W/(m 2 K) Clima caldo o edifici con elevati carichi termici: soprattutto i carichi solari da tenere sotto controllo v almeno 0,6 F s al più 0,4 U al più 3,5 W/(m 2 K) Clima moderato: sono da tenere sotto controllo sia le dispersioni che i carichi solari. v almeno 0,7 F s almeno 0,5 U al più 2,0 W/(m 2 K) 27 UNIVERSITÀ IUAV DI VENEZIA CLAMARCH indirizzo Conservazione Laboratorio integrato 2 Modulo di impianti tecnici nell edilizia storica Anno Accademico Tipologie di sistemi vetrati 14

15 Le proprietà superficiali: deposizione di film sottili (coating) NATURA DEI DEPOSITI Ossidi (indio, stagno, zinco) con drogaggio: SnO 2 :Fe, In 2 O 3 :Sn, ZnO:Al. Semiconduttori Metalli nobili: oro, argento, rame Metalli transizione: ferro, cromo, nichel TECNICHE DI DEPOSIZIONE Pirolisi CVD Solgel Sputtering magnetronico Evaporazione sotto vuoto 29 Tipologie di sistemi vetrati: bassoemissivi Prestazioni depositi superficiali di metalli o ossidi metallici: ε < 0,3 trasmittanza vetro-vetro: U = 1,0 2,0 W/(m²K) guadagno solare: FS = 50 70% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 70 75% 30 15

16 Riflettanza (%) 29/03/2011 Tipologie di sistemi vetrati: controllo solare Prestazioni trasmittanza vetro-vetro: U = 2,0 W/(m²K) guadagno solare: FS = 40 50% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 50 65% depositi superficiali di metalli o ossidi metallici: - vetri colorati in massa grandi superfici vetrate, particolari condizioni geografiche o di esposizione con eccessivo surriscaldamento e discomfort luminoso 32 Esempi di riflessione nel solare, e 100% 90% Ag-Ag Rsol = 42.3% 80% 70% 60% Fe-Cr Rsol = 43.6% 50% 40% SnO2:F Rsol = 12.4% 30% 20% 10% float chiaro Rsol = 6.7% 0% Lunghezza d'onda (nm) 33 16

17 Trasmittanza (%) 29/03/2011 Tipologie di sistemi vetrati: vetri selettivi 100% 90% 80% 70% Vetro ideale per controllo solare ed alta trasmittanza luminosa 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Lunghezza d'onda (nm)

18 1 vetro assorbente e 2 vetro basso-emissivo Senza basso emissivo 2.9 Senza basso emissivo 59% Senza basso emissivo 40% 36 Riduzione delle dispersioni: i profili distanziatori profilo in alluminio, profilo in acciaio, metallo variamente rivestito metallo con taglio termico fibra di vetro-polimero, poli-iso-butilene polimeri espansi (siliconici) materiali plastici (policarbonato) 37 18

19 Distanziatori: il coefficiente di dispersione lineico, valori di riferimento (UNI EN ISO ) 38 Distanziatori: il coefficiente di dispersione lineico, valori di riferimento (UNI EN ISO ) 39 19

20 Telai Per garantire elevate prestazioni del sistema è necessario utilizzare telai ad elevate prestazioni: legno materiali polimerici (PVC) con anima in metallo profilato metallico (alluminio,acciaio) con taglio termico misto metallo legno e metallo polimero PVC Alluminio con taglio termico PVC-Alluminio Legno 40 Telai: trasmittanza termica, valori di riferimento (UNI EN ISO ) Ug Ag Uf Af Uw Ag Af glg Fig. 2: Aree di riferimento nel calcolo della trasmittanza termica di un serramento vetrato. Fig. 3: Andamento della trasmittanza termica di riferimento per telai in legno (da UNI EN ISO parte 1)

21 MATERIALE TIPO DI TELAIO U f W/(m 2 K) Poliuretano Con anima di metallo e spesso più di 5 mm 2,6 PVC profilo vuoto Con due camere 2,1 Con tre camere 1,9 Materiale Spessore d [mm] U f W/( m 2 K)] Legno Metallo 20 2, , , , , , , ,10 4 4,2 6 3,7 8 3,5 10 3,3 12 3,2 15 3,1 20 3,1 42 UNIVERSITÀ IUAV DI VENEZIA CLAMARCH indirizzo Conservazione Laboratorio integrato 2 Modulo di impianti tecnici nell edilizia storica Anno Accademico Sistemi vetrati innovativi 21

22 Sistemi vetrati a 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. 44 Sistemi vetrati a proprietà variabili: termotropici Come materiale termosensibile può essere utilizzata anche una dispersione acquosa di un polimero. La transizione trasparente-opaco avviene in questo caso a causa della formazione a temperatura specifica di grovigli polimerici. Mentre le catene polimeriche svolte non interagiscono con la luce i grovigli disperdono la luce rendendo il sistema opaco. Si possono utilizzare anche miscele di polimeri con diversa miscibilità con la temperatura

23 Sistemi vetrati a proprietà variabili: termocromici I vetri termocromici variano l assorbimento della radiazione luminosa in funzione della temperatura superficiale esterna: si opacizzano quando si raggiunge una temperatura critica (specifica di ogni prodotto) e ritornano trasparenti nel momento in cui si abbassa la temperatura. Ciò si ottiene con un rivestimento della lastra di vetro in triossido di tungsteno o diossido di vanadio. Un punto critico di questo sistema è determinato da un passaggio non graduale dalla trasparenza all opacità, diminuendo i guadagni solari passivi nel periodo invernale. 46 Sistemi vetrati a proprietà variabili: elettrocromici 47 23

24 Sistemi vetrati a proprietà variabili: elettrocromici 48 Sistemi vetrati a proprietà variabili: elettrocromici a cristalli liquidi ACCESO SPENTO 49 24

25 Sistemi redirecting : lamelle sole alto estivo lamelle fisse primavera-autunno sole basso invernale Controllo solare e visibilità attraverso sistemi a lamelle fisse. Il profilo è tale da ottimizzare le prestazioni. 50 Sistemi redirecting : vetrocamera con lamelle interne lamelle orientabili 51 25

26 Sistemi innovativi:tim Sistemi geometrici 52 Sistemi innovativi:tim I pannelli di elementi geometrici sono ottenuti per estrusione di materie plastiche (PMMA, PC) o di vetro. Le prestazioni luminose variano molto con l angolo di incidenza dei raggi solari. Tra condizione invernale (angolo incidenza vicino a 0 ) e condizione estiva si hanno differenze fino al 25%. La luce viene diffusa all interno degli ambienti con miglioramento della sua distribuzione

27 Sistemi innovativi:tim Prestazioni trasmittanza: U= 0,9-1,3 W/m²K guadagno solare: FS = 17 40% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 11 54% 54 Sistemi innovativi: TIM con aerogel Materiale a struttura silicea ad elevatissima porosità di dimensioni estremamente ridotte (10-20 nm). Tende a virare verso il blu su sfondo scuro e verso il giallo su sfondo chiaro. Può essere prodotto in granuli e in lastre monolitiche 55 27

28 Sistemi innovativi: TIM con aerogel Aerogel granulare Prestazioni con aerogel granulare tra fogli di PMMA coefficiente di trasmissione visibile: t v = 75% coefficiente di trasmissione solare: t e = 70% con aerogel granulare tra lastre vetro con bassoemissivo trasmittanza: U= 0,44 W/m²K guadagno solare: FS = 45% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 50% 56 Sistemi innovativi: TIM con aerogel Prestazioni con aerogel monolitico tra due lastre di vetro (4-20-4) trasmittanza: U = 0,5 W/m²K guadagno solare: FS = 75% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 70% Aerogel monolitico (LBNL) 57 28

29 5 VERIFICHE Verifiche nelle strutture opache - calcolo della trasmittanza termica stazionaria - verifica del valore di legge - possibili migliorie - calcolo della massa superficiale e verifica (se necessaria) - possibile valutazione del potere fonoisolante Verifiche delle strutture trasparenti - calcolo della trasmittanza termica - fattore solare - fattore luminoso Verifiche sull illuminamento naturale - valutare la distribuzione dell illuminamento all interno degli ambienti e verificare il valore del fattore medio di luce diurna Bibliografia e siti interessanti AA. VV., Il Vetro Manuale tecnico, Saint Gobain. AA. VV., Atlante del Vetro, UTET, Torino,