Prestazioni caratterizzanti il comportamento energetico dell involucro edilizio trasparente e riferimenti normativi nazionali ed internazionali

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1 Prestazioni caratterizzanti il comportamento energetico dell involucro edilizio trasparente e riferimenti normativi nazionali ed internazionali Piercarlo ROMAGNONI Dorsoduro, Venezia Vetri e efficienza energetica caratteristiche ottico energetiche: t v, r v, t sol, r sol, F s, C s le vetrocamere, la trasmittanza (U-value) famiglie di vetri: bassoemissivi, a controllo solare, selettivi Criteri di applicazione certificazione energetica e vetro, DL 311/2007 calcolo delle prestazioni termiche complessive del sistema finestra bibliografia e riferimenti 1

2 Architettura e vetro funzioni dei sistemi vetrati contatto interno-esterno ingresso luce naturale ingresso radiazione solare 2

3 limiti dei sistemi vetrati dispersioni termiche carichi termici estivi abbagliamento fonoisolamento funzioni e limiti dei sistemi vetrati Gli elementi vetrati devono da una parte garantire il contatto con l esterno dall altra invece costituire una barriera in modo da creare condizioni interne agli ambienti il più possibile comfortevoli per gli occupanti. illuminazione naturale dell interno risparmio energetico e comfort; possibilità di abbagliamento o di forti differenze di luminanza. contatto paesaggio esterno psicologicamente importante per l uomo; dispersione di calore e ingresso di rumori non desiderati. ventilazione dello spazio interno ricambio O 2 e migliore IAQ; dispersioni di energia per eccessiva ventilazione. penetrazione all interno degli ambienti della radiazione solare; carico termico in periodo estivo. 3

4 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: soprattutto le dispersioni invernali da tenere sotto controllo Clima caldo o edifici con elevati carichi termici: soprattutto i carichi solari da tenere sotto controllo Clima moderato: sono da tenere sotto controllo sia le dispersioni che i carichi solari. La radiazione Curve di emissione al variare della temperatura K Spettro elettromagnetico 4

5 La radiazione solare 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 µm si ha solo un 1%. Caratterizzazione: prestazioni radiative Il comportamento dei materiali nei confronti della radiazione è quantificato dai coefficienti: di riflessione r = G rifl / G inc energia incidente di trasmissione t = Gtrasm/ G inc energia riflessa di assorbimento a = G ass / G inc Per il principio di conservazione dell energia vale: G ass + G rifl + G trasm = G inc energia assorbita energia trasmessa a G inc + r G inc + t G inc = G inc t + r + a = 1 5

6 Caratterizzazione: prestazioni radiative I coefficienti sono funzione della lunghezza d onda λ e dell angolo di incidenza θ della radiazione incidente r = r(λ,θ λ,θ) t = t(λ,θ λ,θ) a = a(λ,θ λ,θ) Gli strumenti di misura: lo spettrofotometro Spettrofotometro UV-VIS-NIR della SSV 6

7 parametri sintetici: a, r, t Si considerano i valori di a, r, t per angoli significativi, di solito per incidenza normale. Si considerano valori integrati su intervalli di interesse (es nm - visibile, nm solare) ottenuti con opportune funzioni di pesatura: λ2 M λ1 M = ( λ) P( λ) λ2 P λ 1 ( λ) dλ dλ ISO 9050 Glass in building - Determination of ligth transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance and ultraviolet transmittance, and related glazing factors parametri sintetici - luce: τ v Si considerano valori integrati nell intervallo del visibile ossia nm utilizzando come funzione di pesatura la curva di sensibilità dell occhio e lo spettro solare. t v = 780nm ( λ) V ( λ) t( λ, ϑ) I 380nm 780nm ( λ) V ( λ) I 380nm dλ dλ illuminante D65 e osservatore CIE

8 Esempi di trasmissione nel visibile, τ v Float chiaro T vis = 90.5% Verde T vis = 72.1% Trasmittanza (%) Bronzo T vis = 50.0% Grigio T vis = 34.5% Lunghezza d'onda (nm) parametri sintetici - energia: τ e Per la radiazione solare come funzione peso si considera la curva di irradianza solare a livello del mare (massa d aria M pari a 2) L irradianza solare si può considerare significativa con buona approssimazione nella banda µm k corp o n ero Radiazione spettrale (W/m 2. µm) O 3 H 2O O 3 Radiazione solare extraterrestre O 2 Superficie della terra H 2O τe 2500nm E( λ) t( λ) dλ = 300nm 2500nm E( λ) dλ 300nm H 2O H 2O C O 2 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Lunghezza d onda (µ m ) 2,5 3,0 irradianza solare standard - Moon o Thekaekara 8

9 Parametri sintetici: τ e, ρ e, τ v, ρ v 100 UV visibile visibile infrarosso Solare: visibile + IR + UV Trasmittanza (%) 80 τ v Chiaro 20 Grigio Bronzo τ e Verde Lunghezza d'onda (nm) parametri sintetici - energia: fattore solare F s (g) 9

10 parametri sintetici - energia: Shading coefficient C s 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): s Fs Fs, rif C = = Fs 0,89 F = C F = C s s s, rif s 0,89 Le dispersioni termiche: la trasmittanza 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

11 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 Caratterizzazione: prestazioni termiche U-value Isolare termicamente significa contrastare: Conduzione Convezione Irraggiamento Esterno Convezione Conduzione Conduzione Interno Convezione Ug = 1 he ht 1 + hi Irraggiamento Irraggiamento Irraggiamento Convezione 1 h t N 1 M = hr hg 1 ( dj rj) Vetrata UNI EN ISO

12 La tramittanza - U-value h r = 4σT r j = 1 λ j 3 m λ hg = Nu s Nu = A( Gr Pr) µ c p ν Pr = = λ a 2 ρ β g TL Gr = 2 µ ( + 1) ε ε 1 n 3 2 Esterno Convezione Irraggiamento conduzione convezione radiazione Sistema vetrato conduzione Interno Convezione Irraggiamento UNI EN ISO 673 La tramittanza - U-value 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 ε 1, T 1 ε 1 >ε 2 T 1 T 2 12

13 Caratterizzazione: prestazioni termiche U-value UNI EN ISO , 2007 Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 1: Generalità; UNI EN 673, Glass in building - Determination of thermal transmittance (U value): Calculation method Ug (W/m 2 K) Aria Argon Kripton U w = U g A g + U A g f A f + A + ψ L f g g Lastra singola Doppia Tripla Muratura 30 cm 1 Valori calcolati secondo UNI EN 673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm interno Radiazione IR esterno 13

14 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 La deposizione di film sottili (coating) Deposizione magnetronica 14

15 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% Sistemi basso emissivi: emissività e U-value 100% Ag-Ag ε n = % 80% 70% Riflettanza (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% Float ε n = % Numeri d'onda (cm -1 ) L emissività normale ε n si determina secondo EN

16 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 = Sistemi bassoemissivi: emissività e U-value 3 Vetrata isolante mm 2.8 Coefficiente di scambio termico U W/(m 2 K) Aria Argon Emissività 16

17 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) U-value: influenza dei diversi accorgimenti 17

18 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 Tipologie di sistemi vetrati: controllo solare 18

19 Tipologie di sistemi vetrati: controllo solare vetri colorati in massa Esempi di riflessione nel solare, ρ e 100% 90% Ag-Ag Rsol = 42.3% 80% 70% Riflettanza (%) 60% 50% 40% Fe-Cr Rsol = 43.6% SnO2:F Rsol = 12.4% 30% 20% float chiaro Rsol = 10% 6.7% 0% Lunghezza d'onda (nm) 19

20 Tipologie di sistemi vetrati: vetri selettivi 100% 90% Trasmittanza (%) 80% 70% 60% 50% 40% Vetro ideale per controllo solare ed alta trasmittanza luminosa 30% 20% 10% 0% Lunghezza d'onda (nm) Tipologie di sistemi vetrati: vetri selettivi 100% 90% float chiaro T sol = 87.9% Trasmittanza (%) 80% 70% 60% 50% 40% Ag-Ag T sol = 33.6% Vetro ideale per controllo solare ed alta trasmittanza luminosa SnO2:F T sol = 61.7% fattore di selettività: τ v /F s 30% 20% 10% 0% Fe-Cr T sol = 7.3% Lunghezza d'onda (nm) 20

21 Riassumendo: diverse famiglie di vetri I sistemi vetrati: il telaio 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 Alluminio con taglio termico PVC-Alluminio PVC 21

22 U-value: il coefficiente di dispersione lineico Tipo telaio Legno U f :1,1 2,5 Polimero U f :1,5 2,6 Metallo con taglio termico U f :2,4 3,8 Metallo senza taglio termico 2IG Standard U g : 2,7 3,4 0,03 0,04 0,05 0,01 2IG LE U g : 1,3 2,6 0,05 0,06 0,07 0,04 IG: vetro standard; IG, LE: vetro con film bassoemissivo 2: vetro doppio; 3: vetro triplo U g : coefficiente di trasmissione termica del vetro; U f : coefficiente di trasmissione termica del telaio; 3IG Standard U g : 1,9 2,4 0,03 0,04 0,05 0,01 3IG LE U g : 0,8 1,9 0,04 0,05 0,06 0,03 U-value: la trasmittanza del serramento MATERIALE Poliuretano PVC profilo vuoto Materiale Legno Metallo TIPO DI TELAIO Con anima di metallo e spesso più di 5 mm Con due camere Con tre camere d [mm] U F W/(m 2 K) 2,6 2,1 1,9 U f W/(m 2 K)] 2,60 2,20 2,00 1,90 1,65 1,42 1,22 1,10 4,2 3,7 3,5 3,3 3,2 3,1 3,1 22

23 DLgs 311/2006: trasmittanza finestre Zona climatica Finanziaria D.M. 11/3/ A 5,0 5,5 5,0 4,6 B 4,0 3,6 3,6 3,0 C 3,3 3,0 3,0 2,6 D 3,1 2,8 2,8 2,4 E 2,8 2,4 2,5 2,2 F 2,4 2,2 2,2 2,0 DLgs 311/2006: trasmittanza vetri Zona climatica A 5,0 4,5 3,7 B 4,0 3,4 2,7 C 3,0 2,3 2,1 D 2,6 2,1 1,9 E 2,4 1,9 1,7 F 2,3 1,7 1,3 23

24 D.Lgs. 311/2006 Allegato I Comma 9 Per tutte le categorie di edifici,, ad eccezione delle categorie 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, nel caso di edifici di nuova costruzione e nel caso di ristrutturazioni di edifici esistenti di cui all art.3, comma 2, lettere a), b), e c), punto 1, quest ultimo limitatamente alle ristrutturazioni totali: a) valuta puntualmente e documenta l efficacia dei sistemi schermanti delle superfici vetrate, esterni o interni, tali da ridurre l apporto di calore per irraggiamento solare;... Gli effetti positivi che si ottengono, possono essere ottenuti, in alternativa, con l utilizzo di tecniche o materiali, anche innovativi, che permettano di contenere le oscillazioni di temperatura In tal caso deve essere prodotta adeguata documentazione. Comma 10 Per tutte le categorie di edifici,, ad eccezione delle categorie E.6 ed E.8, e limitatamente a collegi, conventi, case di pena e caserme per la categoria E(1), per immobili con superficie utile superiore a 1000 m2, al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti,, è resa obbligatoria la presenza di sistemi schermanti esterni DL 311/ conseguenze pratiche sulla trasmittanza elementi trasparenti vetro monolitico TL FS U U richiesto Float chiaro 4mm ,8 2,1/1,7 Float chiaro 19 mm ,3 Vetro temperato chiaro 4mm ,8 Vetro stratificato ,7 Vetro be pirolitico 4 mm # ,8 Nelle zone climatiche D,E,F nessun vetro singolo raggiunge i valori limiti di trasmittanza termica richiesti dalla normativa. Solo in zona A il pirolitico da 4 mm è ancora ammesso fino al

25 DLgs 311/ conseguenze pratiche sulla trasmittanza elementi trasparenti Doppie vetro float chiaro TL FS U U U mm/12 aria/ 4mm ,9 2,1/1,7 1,9/1,3 4mm/15 aria/ 4mm ,8 4mm/12 argon/ 4mm ,7 4mm/15 argon/ 4mm ,6 4mm/18 aria/4mm ,7 4mm/18 argon/4mm ,6 Le composizioni di vetrata isolante con vetro float chiaro non raggiungono i valori di trasmittanza termica richiesta. DL311/ conseguenze pratiche sulla trasmittanza elementi trasparenti TL FS U U U Doppia vetro film basso emissivo pirolitico 4mm/12 aria/4 be ,9 2,1/1,7 1,9/1,3 4mm/12 argon/4 be ,6 4mm/15 aria/4 be ,8 4mm/15 argon/4 be ,5 4mm/18 aria/4 be ,7 4mm/15 aria/44.1 be ,7 4 be/12 aria/ 4mm ,9 4 be/15 argon/4mm ,5 25

26 DLgs 311/ conseguenze pratiche sulla trasmittanza elementi trasparenti TL FS U U U Con vetro basso emissivo magnetronico 4mm/12 aria/4 be ,7 2,1/1,7 1,9/1,3 4mm/12 argon/4 be ,3 4mm/15 aria/4 be ,4 4mm/15 argon/4 be ,1 4mm/15 aria/44.1 be ,4 4 be/12 aria/ 4mm ,7 4 be/15 argon/4mm ,1 sistemi vetrati 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. 26

27 sistemi redirecting : lamelle lamelle fisse sole alto estivo primavera-autunno sole basso invernale Controllo solare e visibilità attraverso sistemi a lamelle fisse. Il profilo è tale da ottimizzare le prestazioni. sistemi redirecting : vetrocamere con tendina lamelle orientabili 27

28 Aggetti e schermi Componente Schermo interno Vetro interno Tra le lastre Vetro esterno Vetro singolo con schermo interno 0,80 ± 0,08 0,80 ± 0,06 Vetro singolo con veneziana interna Vetro doppio con schermo interno chiusa 0,69 ± 0,05 0,83 ± 0,08 0,72 ± 0,07 0,8 ± 0,01 0,52 ± 0,12 0,24 ± 0,09 0,21 ± 0,07 0,14 ± 0,05 0,28 ± 0,06 Fonte ASHRAE Fundamentals Vetro doppio con veneziana interna 45 0,86 ± 0,06 0,69 ± 0,14 0,21 ± 0, Vetro doppio basso emissivo con schermo fra le lastre 35 0,46 ± 0,12 0,38 ± 0,05 0,32 ± 0,11 sistemi redirecting : sistemi rifrattivi prismatici 28

29 La valutazione normativa UNI EN :2004 Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate Calcolo della trasmittanza solare e luminosa Parte 1: Metodo semplificato UNI EN :2006 Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate Calcolo della trasmittanza solare e luminosa Parte 2: Metodo di calcolo dettagliato U g = trasmittanza termica del vetro (UNI EN 673, UNI EN 674) g = fattore solare del vetro (UNI EN 410) τ B = trasmissione solare dello schermo ρ B = riflessione solare dello schermo 29

30 I dati per la verifica 30

31 vetro assorbente TL Fs vetro basso-emissivo 31

32 1 vetro assorbente e 2 vetro basso-emissivo Senza basso emissivo 2.9 Senza basso emissivo 59% Senza basso emissivo 40% 1 vetro assorbente BRONZO e 2 vetro basso-emissivo Ra 32

33 1 vetro assorbente BLU INTENSO e 2 vetro basso-emissivo 1 vetro assorbente SENZA BLU e 2 vetro basso-emissivo 33

34 U-value: esempio di calcolo 1 Si consideri un sistema vetrato costituito da una vetrata isolante con rivestimento basso emissivo in faccia 3 con un valore di trasmittanza Uw pari a 1,7 W/m 2 K e un telaio in alluminio con taglio termico con trasmittanza pari a 2,1 W/m 2 K. Tipo telaio 2IG Standard U g : 2,7 3,4 2IG LE U g : 1,3 2,6 1b Dalla tabella vista o da grafici come presenti in UNI si valuta il coefficiente lineico di bordo Legno U f :1,1 2,5 0,03 0,05 Polimero U f :1,5 2,6 0,04 0,06 Metallo con taglio termico U f :2,4 3,8 0,05 0,07 U-value: esempio di calcolo 2 La sezione proiettata del telaio sia 0,08 m. L altezza e la larghezza del vetro valgono rispettivamente 1,4 m e 0,8 m. Le aree proiettate della parte vetrata e del telaio sono rispettivamente pari a 2x1,4x0,8= 2,24 m 2 2x0,08x(1,4+1,4+0,8+0,8)= =0,7 m 2 La lunghezza del bordo è pari a 2x (1,4+1,4+0,8+0,8)=4,4m 34

35 U-value: esempio di calcolo 3 E possibile a questo punto applicare la relazione vista: U w UgA = g + U A + ψ L A g f f + A f g g U w 1,7 x 2,44 + 2,1x 0,7 + 0,07x4,4 = = 2,44 + 0,7 W = 1,9 2 m K I valori sono compatibili con quelli previsti della normativa fino alla zona E 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 τ 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 τ 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. τ v almeno 0,7 F s almeno 0,5 U al più 2,0 W/(m 2 K) 35

36 Standard internazionali per la caratterizzazione termica delle vetrate: UNI EN 673 Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica (valore U) - Metodo di calcolo 2005 UNI EN 674 Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica (valore U) - Metodo della piastra alda con anello di guardia 1999 UNI EN 675 Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica (valore U) - Metodo dei termoflussimetri UNI EN ISO Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 1: Generalità UNI EN ISO Prestazione termica di finestre, porte e chiusure - Calcolo della trasmittanza termica - Metodo numerico per i telai Il quadro normativo Standard internazionali per la caratterizzazione luminosa ed energetica delle vetrate: UNI EN 410, 2000 Vetro per edilizia - Determinazione delle caratteristiche luminose e solari delle vetrate. ISO 9050 Glass in building Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, and ultraviolet transmittance, and related glazing factors

37 Bibliografia AA. VV., Il Vetro Manuale tecnico, Saint Gobain. AA. VV., Atlante del Vetro, UTET, Torino, Siti di interesse: