Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Civile Università di Modena e Reggio Emilia

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1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Civile Oggetto: Misure di riflettanza solare, emissività termica e Solar Reflectance Index Report Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Responsabili: Paolo Tartarini / Alberto Muscio Data inizio lavori: 01/08/2008 Data consegna: 28/09/2009 (dopo ricevimento campioni invecchiati) Note: Report rev. 4 Partita IVA e codice fiscale

2 Pag. 2/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. 1. Oggetto delle attività svolte L'attività svolta ha avuto per obiettivo l'analisi sperimentale di soluzioni di copertura costituite da guaine ad elevata riflettanza della radiazione solare, prodotte da RENOLIT BELGIUM N.V., Industriepark De Bruwaan Oudenaarde (Belgium), e commercializzate da RENOLIT ITALIA S.r.l., Via Uruguay Padova (Italy). La tipologia di prodotto in esame è una guaina in PVC per impermeabilizzazione delle coperture di edifici, colorata in massa onde conferirgli un aspetto bianco brillante. Di detta tipologia di prodotto sono state analizzati un lotto di campioni appartenenti ad una linea di produzione corrente, contraddistinta dalla denominazione commerciale ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT, ed un lotto di campioni appartenenti ad precedente una linea di produzione, contraddistinta dalla denominazione commerciale ALKORPLAN F WHITE, per la quale sono stati resi disponibili anche campioni sottoposti ad invecchiamento pluriennale in ambiente esterno. Per ognuno dei due lotti di campioni, l'analisi si è articolata nei seguenti passi: Misura della riflettanza solare sulla superficie normalmente esposta all atmosfera dei campioni in esame, effettuata in conformità all ASTM Standard E903 tramite spettrofotometro UV-Vis-NIR; in particolare, è stata rilevata nella banda interessata dall irradiazione solare la riflettività spettrale, della quale si è poi valutato il valor medio pesato sulle caratteristiche spettrali della radiazione solare alla superficie terrestre. Misura dell'emissività termica sulla superficie normalmente esposta all atmosfera dei campioni in esame, effettuata sulla base dell ASTM Standard C1371 tramite emissometro IR. Valutazione del Solar Reflectance Index della superficie normalmente esposta all atmosfera dei campioni in esame, effettuata in conformità all ASTM Standard E1980 sulla base dei valori misurati di riflettanza solare ed emissività termica di cui ai punti precedenti. Partita IVA e codice fiscale

3 Pag. 3/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. 2. Metodi di misura Al momento non sono disponibili, a livello nazionale o europeo, prescrizioni normative circa la caratterizzazione delle proprietà radiative superficiali delle strutture edili opache rilevanti ai fini della loro risposta al ciclo di irradiazione solare. Si fa perciò riferimento ai metodi di misura indicati dalla più importante organizzazione del settore, il Cool Roof Rating Council ( Le procedure previste da tale organizzazione sono legalmente riconosciute dai principali enti di normazione USA (DoE/EPA, Amministrazioni statali e locali), nonché largamente impiegate per caratterizzare prodotti commercializzati sul mercato statunitense. Per determinare la riflettanza solare R della superficie analizzata, definita come il rapporto tra frazione riflessa e quantità totale incidente della radiazione solare, si misura innanzitutto la riflettività spettrale ρ λ della superficie in corrispondenza di numerosi valori λ [nm] della lunghezza d'onda regolarmente distribuiti nell'intervallo da 300 nm a 2500 nm, in cui ricade oltre il 99% della radiazione solare incidente sulla superficie terrestre (Fig. 2.1). La riflettività spettrale ρ λ, sua volta definita come il rapporto tra frazione riflessa e quantità totale incidente della radiazione monocromatica alla lunghezza d onda λ considerata, viene misurata utilizzando, in conformità all'astm Standard E903 (Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres), uno spettrofotometro UV-Vis-NIR Jasco V-670 dotato di una sfera integratrice da 150 mm di diametro. La riflettanza solare R viene infine calcolata come la media della riflettività spettrale pesata sulla radiazione monocromatica del sole alla superficie terrestre, I λ [W/(m 2 nm)], come tabulata dall'astm Standard G173 (Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances) o da altre norme tecniche equivalenti per una massa d aria pari a ( λ) I ( λ) ρ λ λ dλ 300 R = (2.1) 2500 I dλ 300 λ ( λ) Partita IVA e codice fiscale

4 Pag. 4/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Figura 2.1. Spettro normalizzato della radiazione solare alla superficie terrestre (dati dall'astm Standard G173). Per misurare l'emissività termica E dei campioni analizzati, definita come il rapporto tra l intensità di radiazione termica effettivamente emessa per irraggiamento e quella massima che può essere teoricamente emessa alla stessa temperatura, si utilizza un emissometro IR Devices & Services AE1/RD1 conforme all'astm Standard C1371 (Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometer). Lo strumento permette di misurare l'emissività emisferica totale tramite la relazione: σ 0 d ΔV = k E E 4 4 ( T T ) d s 1 (2.2) Nella relazione, il segnale in tensione ΔV [V] restituito dall emissometro è proporzionale, per una costante di calibrazione k, al flusso termico scambiato tra la superficie del campione e quella inferiore della testa di misura dell emissometro. La prima superficie è caratterizzata da emissività termica E incognita e temperatura termodinamica assoluta stabilizzata ad un valore T s [K] più prossimo possibile al valore ambiente T a [K], la seconda da emissività termica E d nota e temperatura termodinamica assoluta stabilizzata ad un Partita IVA e codice fiscale

5 Pag. 5/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. valore T d [K] prefissato, più elevato della temperatura del campione e di quella dell ambiente (T d >T s ). Nella relazione, la costante di calibrazione k va a moltiplicare una quantità che rappresenta il flusso termico scambiato per irraggiamento nell infrarosso tra le due superfici sopra citate, assunte piane, parallele, infinitamente estese e mutuamente affacciate, nonché grigie e diffondenti. Lo strumento viene calibrato prima di ogni prova mediante misura di due differenti campioni con emissività nota, rispettivamente pari a 0.06 e a 0.87, forniti dal produttore dell emissometro. Questi dichiara una linearità dello strumento tale da assicurare misure di emissività con incertezza inferiore a ±0.01 nell'intervallo 0.03 E Ove il campione presenti una resistenza non trascurabile alla trasmissione del calore, il flusso termico ad esso apportato dall'emissometro induce un gradiente termico attraverso lo spessore. Tale gradiente fa sì che la superficie oggetto di misura venga a trovarsi ad una temperatura significativamente superiore al valore ambiente. Per ricavare il valore effettivo dell emissività termica E è in questo caso necessario adottare una delle modificazioni del metodo standard documentate dal produttore dell emissometro, ad esempio incrementando il valore di emissività termica E m restituito dallo strumento di una quantità ΔE valutata analiticamente sulla base delle proprietà di conduzione termica del campione (metodo della correzione analitica): E = E m + ΔE (2.3) In alternativa, è possibile misurare direttamente il valore effettivo E dell emissività facendo scorrere la testa di misura dell emissometro sulla superficie del campione, in modo da non dare a questa il tempo di riscaldarsi a temperature sensibilmente più alte del valore ambiente (metodo dello scorrimento). Si omettono per brevità ulteriori dettagli sui metodi di misura modificati. L impatto combinato di riflettanza solare ed emissività termica può essere valutato in modo indipendente dalle caratteristiche in spessore del componente edilizio su cui il materiale in esame verrà posto in opera attraverso il calcolo del Solar Reflectance Index (SRI), definito dallo Standard ASTM E1980 (Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces) con la relazione: Partita IVA e codice fiscale

6 Pag. 6/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. SRI T T T T b s = 100 (2.4) b w Nella relazione, T s [K] è la temperatura alla quale la superficie in esame si stabilizzerebbe se sottoposta ad un irradiazione solare di 1000 W/m 2 e in presenza di una temperatura dell aria atmosferica di 310 K, una temperatura radiante del cielo di 300 K e tre distinti valori del coefficiente di scambio termico convettivo h c, pari a 5 W/(m 2 K), 12 W/(m 2 K) e 30 W/(m 2 K), rispettivamente corrispondenti a condizioni di ventosità bassa (v < 2 m/s), media (2 m/s < v < 6 m/s) e alta (6 m/s < v < 10 m/s). T b [K] e T w [K] sono invece le temperature a cui si stabilizzerebbero due superfici di riferimento, una bianca (R=80%) ed una nera (R=5%), entrambe alto-emissive (E=90%). Pertanto, l SRI rappresenta il decremento di temperatura superficiale che la superficie in esame consente rispetto alla superficie nera di riferimento, rapportato all analogo decremento di temperatura superficiale consentito dalla superficie bianca di riferimento e reso in termini percentuali. Partita IVA e codice fiscale

7 Pag. 7/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. 3. Misure su lotto (A) di campioni da una linea di produzione corrente L'analisi è stata svolta su un lotto di n. 4 campioni del prodotto in esame, RENOLIT alkorplan 35276, preparati a cura del Committente in forma di riquadri con dimensione 50 mm x 50 mm circa (Lotto A, vedi Fig. 3.1). Figura 3.1. Lotto A: (ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT): campione rappresentativo Nel seguito si riportano: in Tab. 3.1, i risultati ottenuti in relazione all emissività termica; in Tab. 3.2 e Figg. 3.2.a-b, i risultati ottenuti in relazione alla riflettanza solare; in Tab. 3.3, i risultati ottenuti in relazione al Solar Reflectance Index; infine, in Tab. 3.4, un quadro di sintesi delle proprietà radiative superficiali e del Solar Reflectance Index. Partita IVA e codice fiscale

8 Pag. 8/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Tabella 3.1. Lotto A: emissività termica misurata E m ed emissività effettiva E (T a = 27 C). Campione Codice identificativo E m [%] E [%] A.1 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT A.2 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT A.3 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT A.4 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT Media ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT Campioni A.1 A Nota: l emissività termica è stata valutata in conformità con i requisiti dello standard ASTM C1371, con l eccezione dell utilizzo di una variante del metodo standard proposta dal produttore dell emissometro per campioni spessi e/o poco conduttivi, qui identificata con il nome di metodo della correzione analitica e documentata nella D&S Technical Note Emissivity measurement for in-place surfaces and for materials with low thermal conductivity. Tabella 3.2. Lotto A: riflettanza solare misurata (T a = 29.5 C). Campione Codice identificativo R [%] A.1 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT 90.2 A.2 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT 90.2 A.3 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT 90.6 A.4 ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT 91.1 Media ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT Campioni A.1 A Partita IVA e codice fiscale

9 Pag. 9/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l ρλ 0.40 UV V NIR 1 (R=90.2%) 2 (R=90.2%) 3 (R=90.6%) 4 (R=91.1%) λ [nm] Figura 3.2.a. Lotto A: riflettività spettrale UV V NIR ρλ *(Iλ /Iλ,max ) (R=90.2%) 2 (R=90.2%) 3 (R=90.6%) 4 (R=91.1%) λ [nm] Figura 3.2.b. Lotto A: riflettività spettrale pesata sull'irradiazione solare normalizzata. Partita IVA e codice fiscale

10 Pag. 10/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Campione SRI per h c =5 W/(m 2 K) (bassa ventosità) Tabella 3.3. Lotto A: Solar Reflectance Index (SRI). SRI per h c =12 W/(m 2 K) (media ventosità) SRI per h c =30 W/(m 2 K) (alta ventosità) A A A A Media Tabella 3.4. Lotto A quadro di sintesi: emissività termica, riflettanza solare e Solar Reflectance Index. Campione E [%] (emissività termica) R [%] (riflettanza solare) SRI h c =5 W/(m 2 K) SRI h c =12 W/(m 2 K) SRI h c =30 W/(m 2 K) A A A A Media Partita IVA e codice fiscale

11 Pag. 11/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. 4. Misure su lotto (B) di campioni sottoposti ad invecchiamento L'analisi è stata svolta su un lotto di n. 5 campioni del medesimo prodotto, RENOLIT ALKORPLAN F WHITE, estratti da un unico lotto produttivo e preparati a cura del Committente in forma di riquadri con dimensione 50 mm x 50 mm circa (lotto B, vedi Fig. 4.1). Del materiale, analizzato 3 anni dopo la produzione, un campione è stato ricavato da un foglio conservato in magazzino, mentre gli altri quattro campioni sono stati ricavati da fogli rimasti esposti all ambiente esterno in due località diverse degli U.S.A. (New River, Arizona, e Miami, Florida) da giugno 2004 a giugno Il processo di invecchiamento è stato curato dal Committente, nelle condizioni sotto riportate: New River, Arizona (U.S.A.): radiant exposure: MJ/m 2, Ly, 1032 MJ/m 2 ( nm) type of test: direct 45 south, open backing Miami, Florida (U.S.A.), Everglades Site: radiant exposure: MJ/m 2, Ly, 872 MJ/m 2 ( nm) type of test: direct 45 south, open backing Nel seguito si riportano: in Tab. 4.1, i risultati ottenuti in relazione all emissività termica; in Tab. 4.2 e Figg. 4.2.a-b, i risultati ottenuti in relazione alla riflettanza solare; in Tab. 4.3, i risultati ottenuti in relazione al Solar Reflectance Index; infine, in Tab. 4.4, un quadro di sintesi delle proprietà radiative superficiali e del Solar Reflectance Index. Partita IVA e codice fiscale

12 Pag. 12/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Figura 4.1. Lotto A (ALKORPLAN F WHITE ALKORBRIGHT): campione rappresentativo (in alto a sinistra); lotto B (ALKORPLAN F WHITE): campione non invecchiato (in basso a sinistra), campioni invecchiati in Arizona (colonna al centro) e campioni invecchiati in Florida (colonna a destra). Partita IVA e codice fiscale

13 Pag. 13/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Tabella 4.1. Lotto B: emissività termica misurata E m ed emissività effettiva E (T a = 27 C). Campione Codice identificativo zona invecchiamento E m [%] E [%] B.1 ALKORPLAN F WHITE Riferimento (non invecchiato) B.2 ALKORPLAN F WHITE Arizona B.3 ALKORPLAN F WHITE Arizona B.4 ALKORPLAN F WHITE Florida B.5 ALKORPLAN F WHITE Florida Media ALKORPLAN F WHITE Campioni B.2 B.5 (invecchiati) Nota: l emissività termica è stata valutata in conformità con i requisiti dello standard ASTM C1371, con l eccezione dell utilizzo di una variante del metodo standard proposta dal produttore dell emissometro per campioni spessi e/o poco conduttivi, qui identificata con il nome di metodo della correzione analitica e documentata nella D&S Technical Note Emissivity measurement for in-place surfaces and for materials with low thermal conductivity. Tabella 4.2. Lotto B: riflettanza solare misurata (T a = 27 C). Campione Codice identificativo R [%] B.1 ALKORPLAN F WHITE Riferimento (non invecchiato) 80.4 B.2 ALKORPLAN F WHITE Arizona B.3 ALKORPLAN F WHITE Arizona B.4 ALKORPLAN F WHITE Florida B.5 ALKORPLAN F WHITE Florida Media ALKORPLAN F WHITE Campioni B.2 B.5 (invecchiati) 76.2 Partita IVA e codice fiscale

14 Pag. 14/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l Reference Arizona 1 Arizona 2 Florida 1 Florida 2 ρλ 0.40 UV V NIR λ [nm] Figura 4.2.a. Lotto B: riflettività spettrale. ρλ*(iλ/iλ,max) UV V NIR Reference Arizona 1 Arizona 2 Florida 1 Florida λ [nm] Figura 4.2.b. Lotto B: riflettività spettrale pesata sull'irradiazione solare normalizzata. Partita IVA e codice fiscale

15 Pag. 15/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Campione SRI per h c =5 W/(m 2 K) (bassa ventosità) Tabella 4.3. Lotto B: Solar Reflectance Index (SRI). SRI per h c =12 W/(m 2 K) (media ventosità) SRI per h c =30 W/(m 2 K) (alta ventosità) B B B B B Media Tabella 4.4. Lotto B quadro di sintesi: emissività termica, riflettanza solare e Solar Reflectance Index. Campione E [%] (emissività termica) R [%] (riflettanza solare) SRI h c =5 W/(m 2 K) SRI h c =12 W/(m 2 K) SRI h c =30 W/(m 2 K) B B B B B Media Partita IVA e codice fiscale

16 Pag. 16/16 Committente: RENOLIT ITALIA S.r.l. Indice dei simboli Simboli in caratteri latini E emissività termica [%] E d emissività termica del rilevatore [%] E m emissività termica misurata [%] h c k I λ coefficiente di scambio termico convettivo [W/(m 2 K)] costante di calibrazione irradianza solare monocromatica [W/(m 2 nm)] I λ,max massima irradianza solare monocromatica [W/(m 2 nm)] R riflettanza solare [%] SRI solar reflectance index [%] T temperatura [K] T a T b T d T s T w v temperatura ambiente [K] temperatura della superficie di riferimento nera [K] temperatura del rilevatore [K] temperatura della superficie [K] temperatura della superficie di riferimento bianca [K] velocità del vento [m/s] Simboli in caratteri greci e misti ΔE correzione dell emissività termica [%] ΔV segnale in tensione [V] λ lunghezza d'onda [nm] ρ λ riflettività spettrale [%] σ 0 costante di Stefan-Boltzmann [ W/(m 2 K 4 )] Partita IVA e codice fiscale