CALCOLO DELLA TRASMITTANZA TERMICA DEI SERRAMENTI

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1 CALCOLO DELLA TRASMITTANZA TERMICA DEI SERRAMENTI GENERALITA La trasmittanza termica di un elemento facente parte di un involucro abitativo è la quantità di calore che questo elemento disperde verso l esterno quando esiste una differenza di temperatura tra interno ed esterno. La quantità totale di calore che passa da un elemento dipende dalla sua superfice, dalla differenza di temperatura tra esterno ed interno e dalle caratteristiche costruttive dell elemento stesso. Quindi, in generale, la TRASMITTANZA TERMICA si esprime in Watt (potenza dispersa) / m2 (per ogni metro quadro di elemento) / K (per ogni grado di differenza di temperatura) Esempio: Un serramento 120 x 250 di vecchia concezione, con lastra di vetro singola, privo di guarnizioni, con una trasmittanza di 5Watt/(m2 K), in una fredda giornata invernale (esterno 5, interno 20 ) disperde: 5W/m2 K x 1,2 m x 2,5 m x 15 K = 225 W Come sappiamo, è compito del produttore dichiarare la trasmittanza termica dei propri manufatti affinchè il cliente possa utilizzarla per la redazione del Certificato energetico obbligatorio. RIPRODUZIONE VIETATA CALCOLO DELLA TRASMITTANZA PAG. 1 DI 6

2 METODI DI CALCOLO Esistono 4 metodi suggeriti dalla normativa per il calcolo della trasmittanza. Si differenziano per il diverso grado di accuratezza e per i limiti di applicabilità, nonché per la complessità dei calcoli da svolgere o delle prove da eseguire. Metodo sperimentale, con HotBox; è un metodo diretto, di laboratorio, che determina precisamente la trasmittanza del campione sottoposto a prova. (UNI EN ISO ) Calcolo numerico dettagliato su modellazione a elementi finiti con determinazione delle linee di flusso del calore e i profili di temperatura nelle varie sezioni del serramento. E l unico metodo applicabile quando l elemento che vogliamo esaminare non rientra in uno schema generale, per via ad esempio della forma geometrica, o della composizione, o per la mancanza di dati numerici appropriati per i materiali impiegati. Fa riferimento alla norma EN ISO :2006 Calcolo generalizzato, su un modello standard di finestra e portafinestra rettangolari, con materiali definiti e noti, secondo la EN ISO E quello che vedremo in dettaglio. Impiego della tabella generalizzata della norma EN ISO dove vengono suggeriti valori di trasmittanza generici per serramenti con cert limiti dimensionali e di rapporto tra superfici vetrate e oscure. E di solito l ultima possibilità da utilizzare nel caso non si conoscano le caratteristiche del serramento; usualmente viene utilizzata in mancanza di meglio dai progettisti che devono in ogni caso avere un valore da utilizzare nei calcoli di facciata. RIPRODUZIONE VIETATA CALCOLO DELLA TRASMITTANZA PAG. 2 DI 6

3 CALCOLO SECONDO LA NORMA UNI EN ISO La norma in oggetto fa riferimento a finestre e portefinestre rettangolari, con ante a battente. Determina la trasmittanza totale della finestra come somma del calore che passa dal legno, dal vetro e dal distanziatore metallico tra le lastre di vetro. Esclude quindi che vi sia significativa presenza di spifferi, ne tra le ante e il telaio, ne soprattutto tra serramento e muratura. Se ci limitiamo al caso dei serramenti in legno, il calore che passa dagli elementi opachi dipende dal tipo di materiale (legno tenero o legno duro) e dallo spessore medio di telaio e battente. (vedi figure) CURVA 1 LEGNI DURI CURVA 2 LEGNI TENERI d = (d1 + d2) / 2 Il calore che passa dall elemento vetrato è dato dalla superficie vetrata moltiplicata per la trasmittanza del vetro, che deve essere dichiarata dal produttore stesso dei vetri; se vi sono vetri differenti sopra e sotto il traverso, questi vengono computati in modo separato e sommati. Il calore che passa dal distanziatore metallico che unisce le lastre della vetrocamera è dato dal perimetro complessivo delle lastre, per un coefficiente di trasmissione lineare che viene indicato in una apposita tabella; si nota che le vetrate bassoemissive vengono penalizzate da un distanziatore normale, metallico, e che pertanto è ormai prassi utilizzare solo canaline distanziatrici con caratteristiche avanzate. RIPRODUZIONE VIETATA CALCOLO DELLA TRASMITTANZA PAG. 3 DI 6

4 CALCOLO SECONDO LA NORMA UNI EN ISO Il punto più critico del procedimento esposto nel paragrafo precedente è rappresentato dalla stima della trasmittanza del telaio. Esistono infatti una molteplicità di forme diverse di ciascun tipo di telaio, e anche all interno dello stesso prodotto, il telaio non è costituito dagli stessi profili su tutti i lati, ma presenta almeno 2 o 3 nodi diversi, come discusso nei capitoli 8, 9 e 10 nei paragrafi dedicati allo studio delle forme di connessione tra parti fisse e parti apribili. L operazione di riduzione di tutte queste variabili in modo semplice e immediato in un modello come quello discusso sopra, comporta necessariamente delle semplificazioni, che vengono introdotte per rendere facilmente utilizzabile il modello. Queste semplificazioni sono inevitabilmente conservative, come si è già accennato, cioè rappresentano il comportamento medio di manufatti simili; queste approssimazioni sono pienamente accettabili se le prestazioni ricercate non sono troppo stringenti, mentre diventano troppo penalizzanti quando l obiettivo è il raggiungimento di prestazioni di alto livello; il rischio che si corre è di non apprezzare appieno le differenze tra le diverse tipologie di soluzioni. Inoltre esistono molte tipologie di serramento che sfuggono alla classificazione, in quanto presentano variabili morfologiche che impediscono di fatto il raggruppamento in classi; è questo il caso, per esempio, dei serramenti scorrevoli, per i quali l applicazione della norma dell appendice D della UNI EN non è possibile. Per una stima più accurata dei flussi di calore e del campo di temperatura che si viene a creare all interno di ciascun nodo si deve ricorrere in questi casi a metodi numerici di risoluzione agli elementi finiti (FEN) delle equazioni di Fourier secondo quanto accennato nel capitolo 6. In sostanza si deve caratterizzare l effettiva sezione del serramento, compresa la presenza di gocciolatoi e guarnizioni (vedi figura), definire i singoli materiali con le loro conducibilità ed emissività (vedi figura) e definire le condizioni al contorno, cioè le temperature interna ed esterna. Snap 1 e 2 : definizione della geometria e dei materiali del nodo RIPRODUZIONE VIETATA CALCOLO DELLA TRASMITTANZA PAG. 4 DI 6

5 Il programma di calcolo crea una fitta serie di elementi finiti, sostanzialmente puntiformi, tra loro collegati in un reticolo (vedi figura). Per ciascun ramo del reticolo viene calcolato il flusso di calore (che dipende solo dalla trasmittanza del materiale in quel particolare tratto e dalla differenza di temperatura nei due punti estremi) e per ciascun nodo del reticolo la relativa temperatura (che dipende a sua volta solo dal bilancio dei flussi di calore entranti ed uscenti dal nodo e dalla capacità termica del materiale nei dintorni), con un processo iterativo che termina quando i flussi e le temperature calcolate a una certa iterazione non differiscono dall iterazione precedente e si può quindi ritenere che ulteriori calcoli non modifichino più le stime. Snap 3 e 4 : il reticolo degli elementi finiti necessari alla simulazione Perché i risultati siano affidabili vengono prese ovvie misure nella scelta del numero e della posizione dei nodi, in modo che la mappatura dell intera sezione sia significativa, infittendo la griglia dove risultano esserci maggiori differenze di temperatura e flussi di calore più elevati, ad esempio all interno di materiali metallici. Il risultato di questo calcolo è la stima abbastanza esatta del flusso di calore che passa dal nodo in oggetto tra la superficie calda e la superficie fredda; riferendo questo flusso complessivo all altezza convenzionale del nodo in vista frontale, si ottiene la stima della trasmittanza termica del nodo stesso. Di solito i programmi di calcolo forniscono anche rappresentazioni immediate dei campi di temperatura e dei flussi di calore così che sia possibile individuare immediatamente i punti critici ed eventualmente porvi rimedio. Infine è di solito posta in evidenza la superficie con temperatura pari alla temperatura di rugiada nelle condizioni imposte, in modo da evidenziare se la superficie interna del serramento può essere interessata a fenomeni di condensa. Una volta ottenuta per via analitica la trasmittanza di ciascun nodo, questa può essere utilizzata nel modello di calcolo della al posto di quella che si sarebbe calcolata per via semplificata o tabellare. RIPRODUZIONE VIETATA CALCOLO DELLA TRASMITTANZA PAG. 5 DI 6

6 I valori che si ottengono con il calcolo analitico possono essere migliorativi rispetto alla stima semplificata di circa 0,3-0,4 W/m 2 K, che sull intero serramento possono rappresentare 0,1-0,2 W/m 2 K; non è moltissimo per serramenti con trasmittanze totali di 2,0-2,2 W/m 2 K, ma quando la prestazione desiderata scende a valori più bassi, questi due decimi possono essere essenziali. I risultati grafici del calcolo si possono vedere nelle figure seguenti: nella prima figura è rappresentata la distribuzione dei profili di temperatura, che vengono resi sia dai colori che dall indicazione delle isoterme. Il serramento in questione presenta un nodo inferiore della finestra provvisto di gocciolatoio in alluminio, inserito tramite un profilo di incastro sin nel cuore del traverso; questo comporta che tutta la metà bassa del nodo si viene a trovare a una temperatura prossima a quella esterna, e che vi è un notevole flusso di calore che attraversa il profilo di alluminio, come si vede nello snapshot successivo. Snap 5 e 6 : Isoterme e flussi di calore all interno del nodo Se si analizzano i risultati diviene evidente che i calcoli con il metodo agli elementi finiti, cioè con il modello della consentono di ottenere risultati migliori; ciascuno dei nodi, di qualunque spessore, mostra un valore di trasmittanza inferiore a quella che si ottiene con il grafico semplificato della , con una differenza dell ordine di 0,2-0,4 W/m2K. Un altra osservazione riguarda la conducibilità del legno; ogni specie legnosa presenta un determinato valore di, che la norma semplificata raggruppa però in sole due classi, in mancanza di dati più precisi; i legni teneri, che vengono accreditati di un = 0,13 W/mK, e i legni duri, cui viene assegnato il valore = 0,18 W/mK. In realtà la situazione è più variegata e la nuova versione della norma dettagliata presenta 4 distinti raggruppamenti con conducibilità di 0,11 0,13 0,16 0,18 W/mK. Nella classe migliore è indicato l abete bianco, che, di conseguenza diviene molto migliore delle altre conifere, mentre nella classe peggiore rimane solo il legno di rovere, perché le altre latifoglie sono raggruppate nella classe appena migliore. RIPRODUZIONE VIETATA CALCOLO DELLA TRASMITTANZA PAG. 6 DI 6