L involucro opaco nell edilizia bioclimatica

Transcript

1 L involucro opaco nell edilizia bioclimatica Prof. Filippo de Rossi 1/38

2 In questa lezione, saranno mostrate alcune tecnologie bioclimatiche o solari passive, realizzabili sull involucro edilizio opaco. 1. Pareti Ventilate Opache 2. Tetti Verdi 3. Muri di Tormbe-Michelle Benefici Estivi Benefici Estivi Benefici Invernali Prof. Filippo de Rossi 2/38

3 Pareti Ventilate: Generalità Con il termine facciate ventilate si intende un insieme di soluzioni tecniche, anche molto differenti tra loro, accomunate dalla presenza di un intercapedine d aria tra un involucro edilizio interno ed un involucro esterno. Per tale ragione, è spesso utilizzata anche la dizione facciate a doppia pelle. Prof. Filippo de Rossi 3/38

4 Pareti Ventilate: Generalità Le facciate ventilate possono essere classificate in funzione del tipo di superfici che le racchiudono: 1. Pareti vetrate e facciate continue. 2. Paramenti murari opachi. In realtà, sono possibili molteplici altre classificazioni, in funzione di: 1. Tipo di ventilazione (naturale, meccanica, naturale con supporto di ventilatori); 2. Origine del flusso d aria (dall interno, dall esterno); 3. Destinazione del flusso d aria (verso l interno o verso l esterno); 4. Verso di percorrenza del flusso d aria (verso l alto, o verso il basso in caso di ventilazione meccanica); 5. Larghezza della intercapedine (stretta fino a 20 cm, larga fino a 2 metri). Prof. Filippo de Rossi 4/38

5 Pareti Ventilate: Generalità In tali sistemi, il principale obiettivo della progettazione è contenere le rientrate termiche estive per irraggiamento sulle superfici opache dell involucro edilizio. In più, in inverno presentano anche tutti i benefici delle pareti coibentate a cappotto. T i = 30 C T i = 26 C ESTERNO INTERNO ESTERNO INTERNO PARETE TRADIZIONALE PARETE VENTILATA Prof. Filippo de Rossi 5/38

6 Pareti Ventilate: Generalità La facciata ventilata opaca, naturalmente ventilata, è generalmente costituita (dall esterno verso l interno) da: 1. Paramento murario esterno. 2. Sottostruttura di ancoraggio ed intercapedine. 3. Isolante termico. 4. Paramento murario interno. Il moto ascendente dell aria nell intercapedine è dovuto all effetto 1 T i = 26 C camino che si genera all interno della camera d aria. ESTERNO 2 INTERNO In particolare, il riscaldamento dell intercapedine determina il moto convettivo dell aria, che si riscalda all interno della cavità e si sposta verso la parte alta. 3 4 PARETE VENTILATA Prof. Filippo de Rossi 6/38

7 Pareti Ventilate: Generalità In particolare, l aria esterna che entra dal basso per depressione, riscaldandosi risale la cavità (raffrescandola), per poi uscire dalle feritoie poste superiormente. Sezione orizzontale Fonte: GRANITECH Fonte: FLOORNATURE Sezione verticale Prof. Filippo de Rossi 7/38

8 Pareti Ventilate: Generalità In INVERNO, una facciata ventilata opaca consente: la protezione dell isolante termico da pioggia (le murature bagnate sono maggiormente conduttive) e vento (minore scambio termico convettivo); l aerazione dell intercapedine evita il ristagno di vapore ed umidità condensata; l isolamento continuo dell involucro murario esterno, con eliminazione di discontinuità strutturali e ponti termici. In teoria, eventuali serrande poste sulle griglie di aerazione inferiori e superiori, potrebbero consentire la chiusura dell intercapedine. In tal modo, sarebbe possibile avere all interno della camera d aria temperature dell aria maggiori di quelle esterne, grazie al riscaldamento della cavità indotto dalla radiazione solare sul paramento esterno e conseguente trasmissione dell energia verso l interno dell edificio. In pratica, l assemblaggio delle lastre esterne, di grandi dimensioni, determina presenza di giunti (riempiti con colle siliconiche) non a tenuta d aria, ragione per cui tale obiettivo non è comunemente cercato e/o raggiunto. Prof. Filippo de Rossi 8/38

9 Pareti Ventilate: Generalità Un possibile svantaggio, in regime invernale, risiede nella ventilazione della camera d aria, che limita o anche azzera i guadagni termici gratuiti dovuti alla radiazione incidente sui componenti opachi dell involucro edilizio. Fonte: FLOORNATURE Fonte: FLOORNATURE Prof. Filippo de Rossi 9/38

10 Pareti Ventilate: Generalità Come in precedenza accennato, in estate la parete ventilata risulta particolarmente utile: nel ridurre le rientrate termiche per irraggiamento sui componenti opachi dell involucro, essendo l energia radiante solare trasferita all interno dell intercapedine e smaltita attraverso la naturale ventilazione di questa. Prof. Filippo de Rossi 10/38

11 Pareti Ventilate: Generalità IN INVERNO, una facciata ventilata opaca solitamente, oltre ai benefici energetici specifici ottenibili in estate, consente una serie di vantaggi tecnologici, tra cui: La parete dell edificio risulta protetta dalla azione degli agenti atmosferici. L isolamento termico, indipendentemente dal materiale adoperato, si conserva meglio nel tempo, non essendo soggetto a cicli asciuttobagnato, la qual cosa consente anche la conservazione delle proprietà termo-fisiche di progetto (bassa conduttività termica e, quando previsto, migliore isolamento acustico. Agevole installazione, manutenzione, ed uso dell intercapedine anche come cavedio tecnico. Prof. Filippo de Rossi 11/38

12 Pareti Ventilate: Generalità In conclusione, una facciata ventilata opaca è utile: in presenza di elevati carichi termici estivi, al fine di ridurre le rientrate termiche per irraggiamento per proteggere le strutture murarie, principalmente in regime invernale, dall azione degli agenti atmosferici (asciugando anche eventuale condense). La giunzione tra le lastre del paramento esterno (pietra, pannelli metallici o ceramici), larghezza dell intercapedine, il regime di ventilazione che si instaura nella cavità, l intensità della radiazione solare sono parametri molto influenti sulla prestazione del sistema, per cui è necessaria una progettazione attenta alle specificità del contesto!!! Prof. Filippo de Rossi 12/38

13 Pareti Ventilate: Generalità In definitiva, rispetto al bilancio energetico di un edificio: Sì VANTAGGI No SVANTAGGI Funzionamento invernale: ( ) ( ) Q = Q + Q Q + Q η RISC,INVOL TRASMISS VENTIL ENDOGENI SOLARI UTILIZZAZ Parete asciutta Sì maggiore resistenza termica. (isolamento a cappotto senza ponti termici) Ventilazione intercapedine minori guadagni solari No Funzionamento estivo: ( ) ( ) Q = Q + Q Q + Q η RAFFRESC,INVOL ENDOGENI SOLARI TRASMISS VENTIL UTILIZZAZ Sì Ventilazione intercapedine minori rientrate termiche solari Prof. Filippo de Rossi 13/38

14 Coperture a verde Il tetto verde è un sistema tecnologico complesso, in cui lo strato vegetale è parte integrante della copertura. Una corretta progettazione consente numerosi vantaggi energetici ed ambientali: 1. in riferimento al microclima interno al singolo edificio. 2. per quanto concerne problematiche di più larga scala, quali ad esempio l impatto benefico sulla riduzione delle isole di calore urbane, la qualità dell aria, il sostegno al sistema di smaltimento acque reflue. Prof. Filippo de Rossi 14/38

15 Coperture a verde Il D.P.R. 59/2009, riportante le misure legislative definitive inerenti il contenimento della domanda energetica in edilizia, impone una obbligatoria attenzione agli aspetti estivi, sia al fine di contenere il surriscaldamento interno degli ambienti sia per limitare la domanda energetica da parte degli impianti di climatizzazione. Oltre alle misure inerenti la massa termica e la trasmittanza termica periodica, ai sistemi di schermatura, alle vetrate a controllo solare, alla ventilazione, il Decreto fa esplicito riferimento anche a soluzioni quali i TETTI VERDI. Prof. Filippo de Rossi 15/38

16 Coperture a verde Testualmente il D.P.R. riporta: Coperture a verde: si intendono le coperture continue dotate di un sistema che utilizza specie vegetali in grado di adattarsi e svilupparsi nelle condizioni ambientali caratteristiche della copertura di un edificio. Tali coperture sono realizzate tramite un sistema strutturale che prevede in particolare uno strato colturale opportuno sul quale radificano associazioni di specie vegetali, con minimi interventi di manutenzione, coperture a verde estensivo, o con interventi di manutenzione media e alta, coperture a verde intensivo. Tale soluzione tecnologica, in rapida diffusione soprattutto nell Europa centrale e settentrionale, sta iniziando ad essere applicata di frequente anche nelle nostre condizioni climatiche. Nelle prossime slides, saranno brevemente illustrate le principali caratteristiche tecniche ed energetiche. Prof. Filippo de Rossi 16/38

17 Coperture a verde Al contrario delle pareti verdi, solitamente realizzate mediante crescita, più o meno spontanea, di rampicanti sulle pareti verticali di un edificio, i TETTI VERDI richiedono un attenta e consapevole progettazione. Oltre alle differenze tecnologiche, PARETI e TETTI VERDI si distinguono per il principio di funzionamento: 1. Le pareti verdi offrono un buon comportamento in regime estivo, soprattutto a causa della maggiore riflessione della radiazione solare. 2. I tetti verdi, sfruttano, invece, soprattutto la massa inerziale. Prof. Filippo de Rossi 17/38

18 Coperture a verde Comunemente un tetto verde può essere realizzato con struttura vegetale: - MULTISTRATO - MONOSTRATO Nel caso di tecnologia multistrato, sono posti in serie 3 diverse funzioni (strato drenante, strato filtrante e substrato di vegetazione). Nel primo caso, lo strato vegetale è direttamente poggiato sull impermeabilizzazione antiradice del tetto Inverdimento 2. Miscela di substrato 3. Telo di filtraggio 4. Strato drenante 5. Feltro di protezione meccanica, Membrana impermeabilizzante, Separazione con geotessile 6. Isolamento termico 7. Barriera al vapore 8. Soletta in calcestruzzo su solaio strutturale Prof. Filippo de Rossi 18/38

19 Coperture a verde Il monostrato, economico e di facile installazione, presenta problemi dovuti al drenaggio delle acque e alle possibili infiltrazioni. Oggi, la soluzione multistrato, pur richiedendo costi iniziali maggiori, consente prestazioni energetiche migliori, così come maggiore tenuta nel tempo del sistema. Il monostrato continua ad essere ampiamente usato nei climi dell Europa settentrionale, soprattutto in ambito extraurbano. Ai fini di questa prestazione, è comunque soluzione non di interesse applicativo. Ulteriore suddivisione possibile per le coperture a verde riguarda il tipo di vegetazione realizzata sul tetto pensile: - VERDE INTENSIVO - VERDE ESTENSIVO Il verde intensivo richiede maggiori oneri, sia per quanto riguarda i costi che la complessità delle opere di manutenzione, così come maggiori sono anche i costi dei substrati ed i carichi sollecitazionali. Il verde estensivo richiede costi iniziali minori, minore spessore e pesi, costi di gestione ed oneri manutentivi più bassi. Prof. Filippo de Rossi 19/38

20 Coperture a verde Prato vegetazione intensiva Terreno di crescita Strato di drenaggio Filtrazione Isolamento in polistirene Impermeabilizzazione Fonte: Funzionamento estivo: Un tetto verde determina, per quanto concerne gli scambi energetici edificio - ambiente, effetti benefici sul microclima interno, dovuti principalmente a: 1. Elevata capacità termica indotta dal substrato terroso di coltura, che attenua e sfasa la trasmissione del calore dall esterno verso l interno. 2. Raffrescamento degli spazi interni, dovuto ai flussi energetici dall interno verso l esterno, forzati dall evaporazione dell acqua contenuta dal manto erboso (evaporative cooling). Altri vantaggi concernono: - maggiore potere fono-isolante del tetto; - filtraggio delle polveri; - protezione degli strati impermeabilizzanti; - minore carico sulla rete fognaria durante i picchi di pioggia. Prof. Filippo de Rossi 20/38

21 Coperture a verde Comunemente il tetto giardino è impiegato, laddove la scelta è tecnologica e non estetica, per il miglioramento delle prestazioni energetiche estive. In realtà, quando il sistema è correttamente progettato, sono conseguibili benefici anche in inverno. In particolare, sia lo strato prettamente erboso vegetale, sia il terreno di coltura sottostante, aggiungono strati e quindi RESISTENZA TERMICA al sistema solaio. Dal prospetto 2 della Norma UNI Riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Scambi di energia termica tra terreno ed edificio. Metodo di calcolo si desumono conduttività e capacità termica del suolo. Per la progettazione di coperture a verde, lo standard tecnico di riferimento è la norma UNI / 2007 Istruzioni per la progettazione, l'esecuzione, il controllo e la manutenzione di coperture a verde. Prof. Filippo de Rossi 21/38

22 Coperture a verde In definitiva, rispetto al bilancio energetico di un edificio: Sì VANTAGGI No SVANTAGGI Funzionamento invernale: ( ) ( ) Q = Q + Q Q + Q η RISC,INVOL TRASMISS VENTIL ENDOGENI SOLARI UTILIZZAZ Circa cm di terreno maggiore resistenza termica Sì Elevata capacità termica minori guadagni solari No Funzionamento estivo: ( ) ( ) Q = Q + Q Q + Q η RAFFRESC,INVOL ENDOGENI SOLARI TRASMISS VENTIL UTILIZZAZ Sì Elevata capacità termica ridotte rientrate termiche solari Massa termica umida e carica: elevato evaporative cooling diurno e radiative cooling notturno Sì Prof. Filippo de Rossi 22/38

23 Muri di Trombe È un tipo di collettore solare a parete inventato negli anni '60 dal francese Felix Trombe e applicato per la prima volta in Odeillo nei Pirenei. È praticamente un muro massiccio (mattoni pieni, calcestruzzo) con una superficie esternamente annerita e protetta da una lastra a doppio vetro posta a 5-10 cm di distanza. La radiazione solare attraversa il vetro e riscalda il muro, il quale, grazie alla sua inerzia termica, accumula l energia assorbito e la diffonde con un certo ritardo all'interno degli ambienti. Prof. Filippo de Rossi 23/38

24 Muri di Trombe Come detto, la radiazione solare attraversa il vetro e riscalda il muro. Il vetro impedisce che il muro sia raffreddato dal vento, per convezione (stesso ruolo che ha il vetro a chiusura dei pannelli solari). Tra il muro e il vetro si forma dell'aria calda che può essere convogliata negli ambienti retrostanti attraverso delle aperture regolabili poste nella parte alta del muro. Prof. Filippo de Rossi 24/38

25 Muri di Trombe L apertura dell infisso è collegata direttamente al deviatore di flusso che integra la sua posizione in modo univoco con il battente. Le lastre di vetro sono di dimensioni ridotte per permettere un adeguata manutenzione; realizzate con vetro ad alta trasmittanza per incrementare l effetto serra e di conseguenza anche l accumulo di energia. Il canale di ventilazione viene periodicamente controllato per verificare il perfetto funzionamento del sistema e l assenza di sostanza nocive. Il muro ad alta inerzia accumula l energia termica, che viene rilasciata gradualmente mantenendo costante la temperatura per molte ore. La pavimentazione galleggiante è il sistema integrato che permette di ottenere il circolo d aria per riscaldare in modo uniforme l ambiente. Prof. Filippo de Rossi 25/38

26 Muri di Trombe Altre aperture poste in basso permettono l'afflusso di aria più fredda nell'intercapedine. Usando un isolamento termico notturno (serranda esterna) si possono ottenere guadagni energetici relativamente alti. L isolamento esterno serve anche per prevenire il surriscaldamento del muro in estate. Il muro Trombe può contribuire anche al raffrescamento dei locali: in questo caso il muro assorbe l energia termica endogena durante il giorno e lo disperde, durante la notte, verso l'esterno, dalle aperture di ventilazione poste in basso e in alto della vetrata. Prof. Filippo de Rossi 26/38

27 Muri di Trombe Da quando sono disponibili i materiali termoisolanti trasparenti, il muro Trombe è stato leggermente modificato: sulla superficie annerita del muro massiccio viene direttamente applicato il materiale trasparente e questo protetto da una lastra di vetro normale. Prof. Filippo de Rossi 27/38

28 Muri di Trombe Per evitare il surriscaldamento estivo del muro, il materiale trasparente deve essere esternamente ombreggiato. A questo scopo viene spesso inserito, tra il vetro e lo strato termoisolante, un telo avvolgibile, oppure si dispone, all'esterno del vetro, un opportuno sistema di ombreggiatura. Prof. Filippo de Rossi 28/38

29 Transparent Insulation Materials Come sopra accennato, oggi la ricerca scientifica e commerciale ha prodotto una nuova classe di materiali: I TIM (Transparent Insulation Materials). Tali materiali combinano le proprietà di alta trasmissione delle radiazioni solari con ottime prestazioni termiche, presentando una alta capacità termoisolante e una trasparenza alla radiazione solare paragonabile a quella di un vetrocamera. Prof. Filippo de Rossi 29/38

30 Transparent Insulation Materials Tali materiali, pertanto, consentono notevoli risparmi energetici indotti dallo sfruttamento passivo dell energia solare, ma anche risparmio prodotto dalla minore trasmittanza termica usualmente alta per gli elementi trasparenti di involucro. I materiali isolanti trasparenti sono utilizzati, come componenti di involucro edilizio, principalmente in due modi: 1. come strato esterno di un muro opaco entro un sistema solare passivo (esempio, MURO DI TROMBE) al fine di ridurre al minimo le dispersioni di calore; 2. Come componente trasparente, in sostituzione di vetrate, per migliorare le condizioni di illuminazione senza aumentare le dispersioni termiche e quindi i connessi consumi energetici. Prof. Filippo de Rossi 30/38

31 Transparent Insulation Materials I TIM possono essere divisi in due categorie, in funzione della natura organica o inorganica del materiale che li costituisce: 1. Natura organica: I policarbonati (PC) o polimetilmetacrilati (PMMA) a nido d'ape. 2. Natura inorganica: gli aerogel e i composti silicei omogenei o granulari. Prof. Filippo de Rossi 31/38

32 Transparent Insulation Materials POLICARBONATI AEROGEL Prof. Filippo de Rossi 32/38

33 Transparent Insulation Materials Natura organica: I policarbonati (PC) o polimetilmetacrilati (PMMA) a nido d'ape. Questa tipologia di TIM sfrutta principalmente l'assemblaggio geometrico al fine di ottenere ottimali prestazioni termiche ed ottiche. Lo schema strutturale prevede disposizione, a file parallele o alternate, di tubicini a sezione circolare o retta, con dimensioni interne (lato o diametro) variabili tra i 2-3 mm. Cilindri e lastre cave hanno lunghezza non superiore ai 15 cm. La struttura a nido d'ape, invece, presenta lunghezze non superiori ai 10 cm. Le proprietà di isolamento termico dipendono dalla massa, dalle dimensioni dei tubicini, dalla sezione interna dei tubicini e dalle proprietà del materiale di base. Prof. Filippo de Rossi 33/38

34 Transparent Insulation Materials Natura inorganica: Si evidenziano le caratteristiche dell aerogel di silice, un materiale inorganico caratterizzato da una struttura porosa costituita da sfere di silice microscopiche. Questo aerogel può essere prodotto in lastre monolitiche di dimensioni pari a circa 50 cm * 50 cm, oppure sono disponibili materiali "sfusi" in forma granulare. L aerogel presenta una bassissima trasmittanza ed una trasparenza allo spettro solare superiore all'80%. Prof. Filippo de Rossi 34/38

35 Nuove tecnologie e legislazione Anche la Legislazione italiana inizia a spingere verso l uso di tali nuove tecnologie D.Lgs. 115/2008 Nel caso di edifici di nuova costruzione e riqualificazioni. il maggior spessore dei solai e tutti i maggiori volumi e superfici necessari ad ottenere una riduzione minima 10% dell EP i non sono considerati nei computi per la determinazioni dei volumi, delle superfici e nei rapporti di copertura. è permesso derogare in merito alle distanze minime tra edifici, alle distanze minime di protezione del nastro stradale, nonché alle altezze massime degli edifici. D.P.R. 59/2009 Tali prestazioni possono essere raggiunte, in alternativa, con l'utilizzo di tecniche e materiali, anche innovativi, ovvero coperture a verde, che permettano di contenere le oscillazioni della temperatura degli ambienti in funzione dell'andamento dell'irraggiamento solare. In tale caso deve essere prodotta una adeguata documentazione e certificazione delle tecnologie e dei materiali che ne attesti l'equivalenza con le predette disposizioni. Prof. Filippo de Rossi 35/38

36 Nuove tecnologie e legislazione Ma la normativa tecnica non è adeguata a risolvere compiutamente ed apprezzare l effetto benefico o negativo di tali tecnologie. Tetti Verdi. La UNI 11235:2007 Istruzioni per la progettazione, l'esecuzione, il controllo e la manutenzione di coperture a verde non consente una compiuta valutazione degli aspetti energetici. Tratta, infatti, solo regole di progettazione/istallazione. Serre Solari e Pareti Ventilate trasparenti. Una procedura di calcolo, generica per tutti i sunspaces, è contenuta nell appendice E della UNI EN ISO 13790, che propone 3 approcci, uno standard, uno conservativo ed uno dettagliato, per il calcolo del contributo radiativo dovuto alla presenza della serra. Indipendentemente dall approccio adottato, non si valuta la reale T dell ambiente serra o cavità della DSF. Pareti Ventilate Opache. Il recepimento italiano del pacchetto CEN, elaborato sotto il mandato M343, ed in particolare le UNI TS 11300, né le UNI 10375, 13786, UNI EN ISO e consentono una compiuta determinazione degli scambi termici attraverso componenti di involucro in cui si sfrutta l effetto camino quale strumento per ventilare cavità d aria interne alla muratura. Né l approccio totalmente stazionario della UNI 6946 può essere ritenuto valido. Prof. Filippo de Rossi 36/38

37 I metodi di calcolo dettagliati, invece: Tetti Verdi. Contemplano congruamente l inerzia termica della struttura, lo sfasamento temporale e l attenuazione del flusso termico da essa indotti, l evapotraspirazione indotta da terreno e vegetazione, il rapporto di copertura a verde, la resistenza degli stomi, e tutti i parametri che concorrono a trasformare un carico radiativo in calore latente smaltito per evaporazione e fotosintesi. Serre Solari e Pareti Ventilate trasparenti. Valutano congruamente la temperatura all interno dello spazio solare, sia esso cavità della DSF o serra, valutando l innalzamento della T interna indotto dall effetto serra e dalle interflessioni radiative interne all ambiente. Pareti Ventilate Opache. Il principio di funzionamento è connesso in primo luogo allo stack effect interno all cavità areata. E pertanto, necessario contemplare l entità dell effetto camino, connesso a caratteristiche geometriche (altezza parete e larghezza cavità), costruttive (materiali adoperati, inerzia, dimensione e posizione delle aperture) e climatiche (ventosità, temperature ed irradiazione) della parete ventilata e del luogo di installazione. Prof. Filippo de Rossi 37/38

38 Conclusioni Componenti innovativi di involucro, laddove spazi soleggiati, inerzie termiche significative, attivazione della massa termica, effetto camino, fenomeni di evapotraspirazione non sono apprezzabili in regime stazionario, richiedono procedure di calcolo dettagliate, poi inserite nella logica standardizzata delle Norme UNI. La legge italiana prevede bonus volumetrici, detrazioni fiscali ed ulteriori benefits, laddove l adozione di tecnologie innovative consenta di migliorare le prestazioni energetiche degli edifici, nuovi ed esistenti se riqualificati. Procedure di calcolo approssimate producono errate valutazioni, in termini di: - Benefici dovuti e non concessi, oppure Benefici non dovuti e concessi - Errata Progettazione - Costruzione di scenari prestazionali non veritieri Oltre all adozione di Norme Tecniche, la Legge prevede anche l uso di metodologie di calcolo alternative, purché elaborate da Istituti di ricerca ed Università, tali da fornire risultati validi dal punto di vista del metodo e realistici nei risultati. Pareti Ventilate, Serre Solari, Muri di Trombe Michelle, Paramenti con PCM, Green Roof, Masse termicamente attive, Isolamento mobile, Transparent Insulation Materials, non sono valutabili mediante procedure semplificate. Ciò richiede lo sviluppo di appropriate metodologie di calcolo. Prof. Filippo de Rossi 38/38