Isolamento e condensa

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1 CONTROLLO DELL UMIDITà NEGLI EDIFICI Antonio De Marco, Christian Lunardi Nel corso degli ultimi anni, la ricerca di prestazioni sempre maggiori in termini di contenimento energetico ha portato a un progressivo aumento della tenuta all aria degli involucri. Il passaggio verso l utilizzo di infissi ad alte prestazioni ha contribuito a ridurre la ventilazione naturale offerta dalle infiltrazioni involontarie e ha determinato l innalzamento dei livelli di umidità relativa interna, con conseguenze negative sia per la durata dei materiali edili sia per la qualità dell aria Le tematiche legate al rischio di formazione di condensa hanno assunto via via maggiore importanza da quando l isolamento termico degli edifici è diventato più spinto. In assenza di un sistema di controllo dell umidità interna, la normativa italiana prescrive la verifica del rischio di condensazione superficiale ed interstiziale assumendo condizioni di umidità relativa pari al 65% alla temperatura interna di 20 C (art. 4 Dpr n 59). Per comprendere meglio la problematica relativa ai fenomeni della condensazione occorre fare brevi cenni di chimica. La molecola dell acqua è caratterizzata da proprietà chimico-fisiche particolari; essa è una molecola di dimensioni molto piccole (circa 0,1 nm = m), ma la caratteristica fondamentale è la sua struttura asimmetrica. A causa della notevole differenza dei valori di elettronegatività tra gli atomi di idrogeno e di ossigeno, la nube elettronica costituita dagli elettroni di legame è più spostata sull atomo di ossigeno (parzialmente negativo) rispetto agli atomi di idrogeno (parzialmente positivi). Un singolo legame è molto debole, ma tutte le molecole possono collegarsi formando una moltitudine di legami (legame d idrogeno). Questa conformazione fa sì che le singole molecole d acqua si attraggano fortemente tra loro e siano affini a molte altre molecole. Alla base della formazione di condensa vi è quindi il fenomeno dell adsorbimento, ovvero la molecola dell acqua è trattenuta sulla superficie del materiale adsorbente da deboli forze elettrostatiche. Questo fenomeno si verifica facilmente nei materiali porosi, che offrono una grande superficie su cui depositarsi; infatti, più piccoli sono i pori più grande è la superficie a disposizione per unità 16

2 di volume all interno della quale l acqua riesce ad aderire fortemente. Si possono individuare tre livelli di accumulo d acqua all interno di un materiale poroso, ovvero tre regioni della curva che esprime il contenuto d acqua in funzione dell umidità relativa: regione di equilibrio igroscopico : compresa fra 0 e 95% UR, valore in corrispondenza del quale si ha l equilibrio igroscopico con l aria umida in atmosfera; regione di assorbimento capillare o regione sovraigroscopica : compresa fra 95% UR ed il punto di libera saturazione (o saturazione capillare); regione di sovrasaturazione: l umidità relativa è sempre 100% e si ha la completa saturazione dei pori. Entro il limite igroscopico il velo di acqua che si forma nelle porosità di un materiale rimane fisso; superato tale limite il contenuto d acqua liquida cresce nel tempo e inizia il moto capillare, distribuendo l acqua dalle zone più asciutte a quelle più sature, fino a quando si raggiunge un contenuto di liquido tale da riempire i pori e impedire la diffusione del vapore al suo interno. Oltre all umidità interna prodotta da attività umane, la presenza d acqua nei materiali da costruzione può dipendere da numerosi altri fattori quali il contenuto iniziale di acqua nei semilavorati per equilibrio igroscopico con l ambiente di stoccaggio, l acqua di costruzione, l acqua accumulata per mancanza di protezione durante la fase di costruzione, la risalita capillare, le perdite da impianti idraulici e la posa in opera. Proprio a causa dell elevato numero di variabili in gioco, risulta evidente come la modellazione dello stato igrometrico dei materiali da costruzione sia assai complessa. Le attuali metodologie di analisi utilizzate per effettuare le verifiche richieste nell ambito della pratica progettuale sono quindi necessariamente basate su forti semplificazioni. Infatti, la stessa norma Uni En Iso specifica che la trasmissione del vapore all interno delle strutture edilizie è un processo molto complesso e la conoscenza dei suoi meccanismi... è ancora in via di sviluppo... Si tratta inoltre di un metodo di calcolo semplificato e che volontariamente trascura alcuni fenomeni fisici, come la dipendenza della conduttività termica dal contenuto di umidità, lo scambio di calore latente, la risalita capillare, la capacità igroscopica dei materiali, il trasporto dell acqua eccetera. Attraverso l utilizzo di opportuni coefficienti di sicurezza, la procedura di calcolo fornisce risultati circa l adeguatezza della soluzione costruttiva in termini di rischio di formazione di condensa superficiale e di condensa interstiziale. Figura 1 - Regioni di accumulo acqua Analisi della condensa superficiale Nel primo caso, la norma parte con la definizione delle condizioni al contorno. Il valore della pressione di vapore esterna è calcolato partendo dai valori medi mensili della temperatura media giornaliera dell aria esterna di progetto della specifica zona termica (ricavabili dalla Uni 10349) utilizzando l equazione: p e = φ e psat (Θ e ) Il valore dell umidità interna viene invece calcolato secondo: p i = p e + Δp Δp rappresenta il differenziale di pressione di vapore dovuto a fonti di umidità presenti negli ambienti interni quali le persone e le attività da esse svolte. Per la determinazione dell incremento della pressione di vapore la norma propone una stima empirica individuando due parametri, la temperatura media mensile e la tipologia di attività svolta nel locale in analisi, ipotizzando che la ventilazione dei locali si riduca all aumentare della differenza di temperatura tra ambiente interno ed esterno e che alcune categorie di attività siano caratterizzate da un maggior tasso di produzione di vapore (figura 2). Una volta determinato p occorre calcolare la pressione di vapore critica sotto la condizione che, 17

3 Y Z 5 0, , , , X Classi di umidità interna Classe di umidità Edificio 1 Magazzini 2 Uffici, negozi 3 Aloggi con basso indice di affollamento Alloggi con alto indice di affollamento, palestre, cucine, 4 cantine, edifici riscaldati con sistemi a gas senza camino 5 Edifi speciali, per esempio lavanderie, distillerie, piscine X = Temperatura media mensile dell aria esterna in C Y = v in kg/m 3 Z = p in Pa Figura 2 - Prospetto A1 Uni Iso Variazione della pressione di vapore (Z) in funzione della temperatura esterna (X) e della classe di umidità interna (Y) per evitare la crescita di muffe, l umidità relativa in corrispondenza delle superfici interne φ si non deve essere maggiore di 0,8 per un periodo di tempo di diversi giorni. P v,cr (Ti) = p i /0,8 Ottenuta la pressione di vapore critica si determina la temperatura superficiale critica attraverso le equazioni: θcr = θcr = 265,5 ln pv,cr 21,875 ln pv,cr se p v,cr > Pa se p v,cr < Pa Alla luce delle sempre più stringenti normative in termini di trasmittanza termica delle componenti opache dell involucro edilizio, la verifica della condensa superficiale su parete corrente è generalmente soddisfatta mentre assume rilevanza la verifica in corrispondenza di ponti termici, ovvero la discontinuità di isolamento termico che si può verificare in corrispondenza agli innesti di elementi strutturali (D.M G.U ). Si calcola di seguito la temperatura critica per un edificio residenziale (alloggi con basso indice di affollamento) a Milano: θ media = 1,7 C (dati relativi al mese di gennaio per Milano secondo Uni 10349) Ur ext = 60% (Uni 10339) Psat(θ int =20 C)= exp ((17,269 θ)/(237,3 + θ)) = Pa (condizioni secondo DPR 59/2009) Pi=Psat Ur int = ,65=1.519 Pa Pv, cr=pi/urcr=1.519/0,8=1.898,7 Pa Da cui θ cr = = 16,69 C Si osservi che le condizioni fissate dalla normativa italiana sono più stringenti di quanto previsto dalla stessa Uni En Iso 13788, infatti: Psat(θ ext ) = exp ((17,269 θ)/(237,3 + θ)) = 690,29 Pa Pe = Ur ext Psat = 0,6 690,29 = 414,17 Pa Δp (classe 3) = 780 Pa Pi = Pe + Δp = 414, = 1194,17 Pa Pv,cr = Pi / URcr = 1194,17/0,8 = 1.492,71 Pa Da cui θ cr = = 12,95 C Attraverso l analisi della conduzione termica tra gli elementi costituenti l involucro edilizio si osserva come tecniche costruttive che anche recentemente hanno trovato larga applicazione (esempio della parete con isolamento ad intercapedine) siano potenzialmente pericolose senza una adeguata progettazione del dettaglio 18

4 Figura 3 - Esempio di formazione di muffa a causa di una scorretta progettazione del nodo parete-serramento Figura 4 - Analisi delle isoterme di un nodo serramento-parete non correttamente progettato costruttivo. Si consideri ad esempio l analisi delle isoterme effettuata sul nodo serramento-parete per una stratigrafia costituita da parete in laterizio con isolamento in intercapedine dove l attacco del serramento è stato progettato senza un adeguato studio. Si può osservare come, a causa dell interruzione dello strato di isolante, le curve di temperatura sullo spigolo interno dell attacco serramento raggiungano valori estremamente bassi (11 C), inferiori a quelli della soglia critica, costituendo in questo modo una zona privilegiata per la formazione di condensa e muffe. Analisi della condensa interstiziale La seconda casistica analizzata dalla norma è quella relativa alla formazione di condensa interstiziale. Il vapore d acqua, diffondendosi attraverso le porosità dei materiali costituenti l involucro edilizio a causa della differenza di pressione fra ambiente interno ed ambiente esterno, a fronte di un abbassamento delle temperature al di sotto del punto di rugiada può condensare all interno delle strutture. La norma accetta che si possa formare condensa, a patto che essa sia completamente rievaporabile nei periodi successivi senza generare accumuli. Il flusso di vapore per diffusione g (kg vap /m 2 s) è direttamente proporzionale alla differenza di pressione parziale di vapore Δpv (Pa) tra i due ambienti (forzante) ed inversamente proporzionale alla resistenza alla diffusione del vapore definita Zp (in Pa m 2 s/kg). g = p i,e La resistenza alla diffusione Zp è proporzionale alla lunghezza d (metri) del percorso che separa i due ambienti e inversamente proporzionale a δ p (kg/m s Pa), coefficiente di diffusione del vapore d acqua all interno del materiale. g = p p d = p In molti casi, il valore della permeabilità al vapore di un materiale viene rapportato a quella dell aria definendo così il fattore di resistenza alla diffusione del vapore μ come rapporto tra la resistenza alla diffusione del vapore attraverso il materiale e quella nell aria (δ 0 = kg/(m s Pa)). μ =,aria = s / s / 0 = 0 Altrettanto frequentemente nei cataloghi di materiali edili la resistenza di un materiale al passaggio di vapore viene indicata con S d (En Iso 12572), ovvero lo spessore d aria che ha la stessa resistenza alla diffusione dello spessore di materiale considerato. S d = s μ Il rischio di formazione di condensa interstiziale è legato alla produzione di vapore negli ambienti, alle resistenze termiche ed alla permeabilità al vapore dei materiali costituenti gli strati del componente edilizio in esame. Per ridurre il rischio di formazione di condensa interstiziale occorre quindi agire riducendo la differenza di pressione di vapore verso l esterno (riducendo la massa di vapore interna), oppure impedendo il flusso di vapore attraverso l utilizzo di materiali con elevata resistenza alla diffusione. Si possono quindi individuare diverse strategie per la gestione dell umidità, classificabili in: 19

5 Figura 5 - Analisi dell andamento della pressione di vapore in caso di isolamento su lato interno Figura 6 - Analisi dell andamento della pressione di vapore in caso di isolamento su lato interno con applicazione di barriera al vapore Metodi attivi L aerazione manuale: rappresenta la modalità più diffusa di dispersione dell eccesso di umidità interna delle abitazioni, è caratterizzata da bassi costi di realizzazione e di gestione tuttavia demanda all utente il compito di provvedere ai necessari ricambi d aria, causando una diminuzione del comfort abitativo che può determinare inefficienza energetica (eccesso di ventilazione), oppure un basso livello qualitativo dell aria interna (carenza di ventilazione). Ventilazione meccanica controllata: i sistemi di ventilazione meccanizzata rappresentano un metodo per limitare l eccesso di vapore ed inquinanti all interno degli ambienti confinati, consentendo di contrastare gli effetti negativi della condensazione del vapore (sia superficiale che interstiziale). Tuttavia, va osservato come un semplice sistema di ventilazione rischi di determinare un livello di umidità relativa estremamente basso al di fuori del range di benessere igrometrico. Si consideri infatti una stanza di 20 m 3 ed altezza netta di 2,7 m. Si supponga di installare un sistema di ventilazione meccanizzato tarato per un ricambio di 0,5 Vol/h. Considerando l ambiente in condizioni standard di T int = 20 C e UR = 65% avremo una portata in entrata di 27 m 3 /h alle condizioni esterne (ad esempio, condizioni medie di Milano nel mese di gennaio T = 1,7 C; UR = 60%; X= 2,5 g vap /kg as ). Assumendo il volume specifico dell aria pari a 0,84 m 3 / kg aria ad un temperatura di 20 C e 0,77 m 3 /kg aria ad un temperatura di 1,7 C l umidità assoluta interna dopo un ora risulta: X int = (32 9, ,5)/67= 5,84 [g vap /kg as ] L umidità relativa sarà quindi pari a circa il 40% dopo un ora di funzionamento, ma pari al 25% dopo due ore di funzionamento (completo ricambio d aria) in assenza di produzione interna di vapore. Al fine di evitare livelli di umidità relativa interna troppo bassi, dovuti a sistemi di ventilazione meccanizzata, si può intervenire utilizzando piccoli umidificatori oppure generando dei carichi costanti di umidità (ad esempio, utilizzando piante da appartamento), oppure infine con sofisticati sistemi di regolazione delle portate dell impianto di ventilazione basati sull utilizzo di sonde di CO 2 oppure di umidità (vmc on demand). Metodi passivi Barriera al vapore: come descritto precedentemente, il rischio di condensa interstiziale si verifica quando il vapore acqueo che attraversa un componente edilizio che separa due ambienti caratterizzati da condizioni differenti di pressione di vapore, a causa della progressiva riduzione di temperatura all interno della struttura raggiunge la temperatura di saturazione, ovvero quando la retta delle pressioni di vapore risulta tangente alla spezzata delle pressioni parziali di saturazione. Tale problematica si verifica soprattutto in caso di intervento per aumento delle prestazioni termiche attraverso l applicazione di strati di elementi isolanti sul lato interno della parete. Una delle strategie tradizionalmente impiegate è quella della riduzione del flusso di vapore attraverso l applicazione di barriere al vapore, ovvero elementi caratterizzati da una bassissima permeabilità al vapore (δ = 0 oppure μ = ), in modo tale che la pressione di vapore che attraversa la parete si mantenga al di sotto della pressione di saturazione. ing. Antonio De Marco, ing. Christian Lunardi Deal Progetti Figura 7 - Esempio di nastratura delle giunzioni tra pannelli Osb (freno al vapore) 20