Fabio Peron Università IUAV - Venezia

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1 Università IUAV di Venezia, Laurea Magistrale Architettura e Innovazione, corso Fisica Tecnica Ambientale Laboratorio 1 Edifici a elevata efficienza: un miglior involucro trasparente Fabio Peron Università IUAV - Venezia Vetro e architettura Philip Johnson, Glasshouse, Illinois, USA Mies van der Rohe, Farmhouse, Illinois, USA Vetro e architettura Vetro e architettura Evoluzione delle tecnologie Evoluzione dei prodotti Renzo Piano, The Shard, London

2 Vetro e architettura Evoluzione delle tecnologie Evoluzione dei prodotti Vetro e architettura Evoluzione delle tecnologie Evoluzione dei prodotti Raphael Vinoly, Walkie Talkie, London Vetro e architettura Vetro e architettura Ospedale dell Angelo, Mestre, Studio Altieri e Emilio Ambatz

3 Vetro e architettura Vetro e architettura Ospedale dell Angelo, Mestre, Studio Altieri e Emilio Ambatz Auditorium Paganini, Parma Renzo Piano

4 Vetro e architettura Vetro e architettura Norman Foster, British Museum, Londra Norman Foster, British Museum, Londra

5 Vetro e architettura Vetro e architettura I. M. Pei, Louvre, Parigi I. M. Pei, Louvre, Parigi Vetro e architettura Vetro e architettura I. M. Pei, Louvre, Parigi I. M. Pei, Louvre, Parigi

6 Vetro e architettura Vetro e architettura I. M. Pei, Louvre, Parigi I. M. Pei, Louvre, Parigi Vetro e architettura Funzioni e limiti dei sistemi vetrati ideal windows for codes point of view PRO: contatto interno-esterno ingresso luce naturale ingresso radiazione solare ideal windows for architect point of view CONTRO: dispersioni termiche carichi termici estivi abbagliamento fonoisolamento

7 Funzioni e limiti dei sistemi vetrati Involucro edilizio e risparmio energetico 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. Per impostare una corretta strategia di risparmio energetico primo e fondamentale passo è non disperdere energia: minori dispersioni invernali minori carichi estivi Minore consumo e spesa per il riscaldamento e per il raffrescamento contatto paesaggio esterno psicologicamente importante per l uomo; dispersione di calore e ingresso di rumori non desiderati. ventilazione dello spazio interno rifornimento O 2 e migliore IAQ; dispersioni di energia per eccessiva ventilazione. penetrazione all interno degli ambienti della radiazione solare; carico termico non desiderato in periodo estivo. 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. Fabio Peron Università IUAV di Venezia Corso Laurea Magistrale Architettura Universitàe Innovazione IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron Fabio Peron Università IUAV di Venezia Corso Laurea Magistrale Architettura Universitàe Innovazione IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron Sistemi vetrati e edifici a energia zero Sistemi vetrati nel tempo Frequenza dei diversi interventi realizzati in progetti con miglioramenti dell efficienza di almeno il 60% o vicini a NZEB Da elementi di involucro caratterizzati da un perdita netta di energia a elementi con un apporto netto di energia Fabio Peron Università IUAV di Venezia Corso Laurea Magistrale Architettura Universitàe Innovazione IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron Fabio Peron Università IUAV di Venezia Corso Laurea Magistrale Architettura Universitàe Innovazione IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron

8 Sistemi vetrati nel tempo Come si forma il vetro bassa velocità di raffreddamento cristallo elevata velocità di raffreddamento vetro Quale rapporto tra trasmittanza e SHGC? Performance Criteria for Residential Zero Energy Windows, 2007 maggiore è la viscosità della massa fluida è più facile è la formazione dello stato solido amorfo Fabio Peron Università IUAV di Venezia Corso Laurea Magistrale Architettura Universitàe Innovazione IUAV Environmental Building Physics prof. Fabio Peron Il vetro di silice Tipica sostanza molto viscosa allo stato liquido è la silice SiO 2, essa è il componente base per la maggior parte dei vetri utilizzati. Il vetro di silice Per produrre un vetro sono necessarie: Silice vetrosa O Si O O una sostanza vetrificante (liquido elevata viscosità): silice SiO 2, anidride borica B 2 O 3 sostanze fondenti (basso punto di fusione): Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, ZnO, Na 2 CO 3, K 2 CO 3 sostanze stabilizzanti (chimicamente resistenti) : CaO, MgO, CaCO 3 O Si O O O O sostanze accessorie: coloranti vari (ossidi metallici), caratteristiche di brillantezza (PbO), etc. Unità tetraedrica SiO 4 Silice cristallina

9 Il processo float Il processo float Per produrre lastre con facce piane e parallele esenti da imperfezioni legate al passaggio su rulli è stato messo a punto il processo Float, in cui la lastra di vetro in via di solidificazione viene fatta galleggiare su un bagno di stagno fuso. Il vetro silicato sodo-calcico Riduzione delle dispersioni: vetrocamere Il vetro ha una conducibilità intorno a 1W/mK: non è un materiale isolante ma neppure conduttore; 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 (a i =8 W/m 2 K,a e =23 W/m 2 K) intorno a 5.7 W/m 2 K. Si O Ca 2+ Na 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. Distanziatore metallico Sigillante secondario Sigillante primario

10 Riduzione delle dispersioni: 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 Distanziatore metallico Sigillante primario Sigillante secondario Caratterizzazione termica: U-value Isolare termicamente significa contrastare: Conduzione Convezione Convezione Irraggiamento 1 Ug = he ht hi Irraggiamento Esterno Conduzione Irraggiamento Convezione Conduzione Interno Convezione Irraggiamento essiccante (zeolite): adsorbe il vapor d acqua, evita la condensa all interno dell intercapedine 1 N 1 M = + + t 1 hr hg 1 h ( d r ) j j Doppio vetro UNI EN ISO 673 Caratterizzazione termica: U-value Caratterizzazione termica: U-value EN 673 CONDIZIONI AL CONTORNO Stato stazionario Vetrata verticale Velocità del vento sulla superficie esterna = 4 m/s Convezione naturale sulla superficie interna Intercapedine non ventilata Temperatura al centro dell intercapedine T = 10 C Differenza di temperatura tra interno ed esterno ΔT = 15 C Nessun irraggiamento solare Irraggiamento Convezione Esterno Interno Convezione Conduzione Conduzione Irraggiamento Irraggiamento Convezione 1 Ug = he ht hi 1 N 1 M = + + t 1 hr hg 1 h 23 W/m 2 K h r = 4 σ ε 3-1 T 1 ε m 2 ( d r ) j h i = h r + h c h r = 4.4 ε h c = 3.6 j W/m 2 K h g = Nu λ s Nu = A (Gr Pr) n Gr = 9.81 s3 ΔT ρ 2 Pr = μc Tm μ 2 λ UNI EN 673 ISO 10292

11 Caratterizzazione termica: U-value Miglioramento delle prestazioni termiche: i distanziatori 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 Dal profilo in alluminio a: profilo in acciaio inox metallo variamente rivestito metallo con taglio termico fibra di vetro-polimero, poli-iso-butilene polimeri espansi (siliconici) materiali plastici (policarbonato) Irraggiamento le superfici con bassa emissività scambiano poca energia ε 1, T 1 ε 1 >ε 2 Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre 2017 T 1 T 2 Miglioramento delle prestazioni termiche: i gas di riempimento dell intercapedine Miglioramento delle prestazioni termiche: i gas di riempimento dell intercapedine Aria Argon Kripton Xenon Convezione: i gas in intercapedine Ug Aria Argon Kripton (W/m 2 K) Lastra singola 5.7 Doppia Tripla Muratura 30 cm Valori calcolati secondo EN673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm Influenza del gas sul valore di U di una vetrata

12 Miglioramento delle prestazioni termiche: i rivestimenti basso-emissivi CARATTERIZZAZIONE: misura dell emissività Prestazioni depositi superficiali di metalli o ossidi metallici: ε < 0,15 trasmittanza vetro-vetro: U = 1,0 2,0 W/m²K guadagno solare: g = 50 70% Spettrofotometro IR PE983G in dotazione a SSV coefficiente di trasmissione visibile: t v = 70 75% La misura dell emissività delle superfici del vetro può essere eseguita attraverso una caratterizzazione spettroradiometrica nel campo IR. L emissività normale e n si determina secondo la norma EN Miglioramento delle prestazioni termiche: i rivestimenti basso-emissivi CARATTERIZZAZIONE: misura dell emissività 100% Ag-Ag ε n = % 80% 70% Riflettanza (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% Float ε n = % Numeri d'onda (cm -1 ) Spettri di riflettanza IR per il vetro piano Proprietà ottiche di coating bassoemissivo a base argento

13 U-value (W/m 2 K) Miglioramento delle prestazioni termiche: i rivestimenti basso-emissivi Emissività normale, εn Influenza dell emissività sul valore di U di una vetrata Aria Aria (EN673) Argon Argon (EN673) Radiazione: Rivestimenti Basso-emissivi U value (W/m 2 K) Doppia float Doppia Ag-Ag Tripla float Tripla Ag-Ag Miglioramento delle prestazioni termiche: i rivestimenti basso-emissivi Aria Argon Kripton 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 = Miglioramento delle prestazioni termiche: i rivestimenti basso-emissivi La deposizione di film sottili NATURA DEI DEPOSITI Ossidi (indio, stagno, zinco) con drogaggio: SnO 2 :Fe, In 2 O 3 :Sn Semiconduttori Metalli nobili: oro, argento, rame Metalli transizione: Fe, Cr, Ni TECNICHE DI DEPOSIZIONE Sputtering magnetronico Pirolisi CVD Sol-gel Evaporazione sotto vuoto

14 La deposizione di film sottili La deposizione di film sottili Deposizione magnetronica Miglioramento delle prestazioni: riassunto Involucro trasparente: stato dell arte Ug [W/m²K] g [%] DESCRIZIONE Tipica doppia Ar90% - 4 Doppia ad alte prestazioni Kr90% - 4 Tipica tripla Ar90% Ar90% - 4 Tripla ad alte prestazioni Ar90% Ar90% - 4 Tripla ad altissime prestazioni Kr90% Kr90% - 4 Prestazioni dei materiali presenti nel mercato

15 Transparent envelope: state of the art for winter Transparent envelope: state of the art for winter Transparent envelope: producer catalogs Involucro trasparente: trasmissione di luce e radiazione energetica

16 Involucro trasparente: trasmissione di luce e radiazione energetica Involucro trasparente: trasmissione di luce e radiazione energetica Il comportamento dei materiali nei confronti della radiazione è quantificato dai coefficienti: I coefficienti sono funzione della lunghezza d onda λ e dell angolo di incidenza θ della radiazione incidente: di riflessione r =G rifl /G inc energia incidente energia riflessa r = r(λ,θ) t = t(λ,θ) a = a(λ,θ) di trasmissione t =Gtrasm/G inc di assorbimento a =G ass /G inc energia assorbita Per il principio di conservazione dell energia vale: energia trasmessa G ass + G rifl + G trasm = G inc a G inc + r G inc + t G inc = G inc t + r + a = 1 Trasmissione di luce e radiazione energetica: l interazione fotone-elettrone l interazione fotone-elettrone Trasmittanza (%) Quarzo Low Iron Verde Bronzo Stratificato Lunghezza d'onda (nm) I metalli di transizione colorano il vetro

17 l interazione fotone-elettrone Caratterizzazione luminosa e energetica del vetro Colorazione verde del vetro float: presenza di ioni Ferro Fe 2+,, Fe 3+ Spettro di trasmissione di filtri colorati Spettrofotometro UV-VIS-NIR della SSV Caratterizzazione luminosa e energetica del vetro Caratterizzazione luminosa e energetica del vetro Vetri diffondenti Sfera integrante

18 Caratterizzazione luminosa e energetica del vetro Caratterizzazione luminosa e energetica del vetro Parametri sintetici: τ e, ρ e, τ v, ρ v 100 UV visibile visibile infrarosso Solare: visibile + IR + UV 80 τ v Trasmittanza (%) Chiaro Sfera integrante Labsphere diametro 500 mm in dotazione a SSV I deflettori della sfera integrante PELA Grigio Bronzo τ e Verde Lunghezza d'onda (nm) Caratterizzazione energetica del vetro: fattore di guadagno solare Caratterizzazione energetica del vetro: fattore di guadagno solare Fattore solare, rapporto tra l energia globale trasmessa oltre la lastra e quella incidente su di essa; si considera sia l energia direttamente trasmessa che quella assorbita e scambiata per radiazione e convezione con l interno; F = g = τ + q s Fattore di scambio termico secondario della vetrata verso l interno q i = α e h e e hi + h h e = coefficiente scambio verso l esterno = 23 W/(m 2 K) h i = coefficiente scambio verso l interno = 8 W/(m 2 K) i i parametri sintetici - energia: fattore solare, g Il fattore solare è anche indicato come total solar energy transmittance TSET, e Solar heating gain coefficient SHGC.

19 Caratterizzazione energetica del vetro: fattore di shading Caratterizzazione energetica vetro-sistemi di schermatura: fattore di shading 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): g s C s = g = s, rif g s 0,89 g = C g = C s s s, rif s 0,89 parametri sintetici - energia: fattore di shading Caratterizzazione: misura g Involucro trasparente: controllo della trasmissione di energia solare sistemi vetrati a controllo solare Calorimetro Fraunhofer ISE

20 Involucro trasparente: controllo della trasmissione di energia solare Involucro trasparente: controllo della trasmissione di energia solare 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% controllo solare: vetri colorati in massa Lunghezza d'onda (nm) controllo solare: vetri riflettenti Involucro trasparente: controllo della trasmissione di energia solare Involucro trasparente: sistemi vetrati selettivi Prestazioni trasmittanza vetro-vetro: U= 2,0 W/m²K guadagno solare: F = 40 50% coefficiente di trasmissione visibile: t v = 50 65% depositi superficiali di metalli o ossidi metallici: vetri colorati in massa Trasmittanza (%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Vetro ideale per controllo solare ed alta trasmittanza luminosa Sistemi vetrati a controllo solare grandi superfici vetrate, particolari condizioni geografiche o di esposizione con eccessivo surriscaldamento e discomfort luminoso 20% 10% 0% Lunghezza d'onda (nm)

21 Involucro trasparente: sistemi vetrati selettivi Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi con schermature integrate float chiaro T sol = 87.9% SnO2:F T sol = 61.7% Ag-Ag T sol = 33.6% fattore di selettività: τ v /g s Fe-Cr T sol = 7.3% Sistemi vetrati selettivi lamelle orientabili in intercapedine. F s =10 70%, t v =5 70% Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi elettrocromici Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi elettrocromici sistemi elettrocromici. F s =20-70%, t v =5-70% sistemi elettrocromici. F s =20-70%, t v =5-70%

22 Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi termotropici Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi termotropici Come materiale termosensibile può essere utilizzata anche una dispersione acquosa di un polimero. La transizione trasparente opaco avviene in questo caso a causa della formazione a temperatura specifica di grovigli polimerici. Mentre le catene polimeriche svolte non interagiscono con la luce i grovigli disperdono la luce rendendo il sistema opaco. Si possono utilizzare anche miscele di polimeri con diversa miscibilità con la temperatura. strato termotropico 1,2 mm film bassoemissivo intercapedine 16 mm Ar lastra di vetro 4,9 mm Prestazioni Strato contenente una miscela di polimeri termotropica tra lastre vetro assemblata in vetrocamera con lastra ricoperta con film bassoemissivo trasmittanza: U= 1,15 W/m²K guadagno solare: F = 0,48 (26 C) 0,15 (50 C) coefficiente di trasmissione visibile: t v = 0,72 (26 C) 0,23 (50 C) coefficiente di trasmissione solare: t e = 0,40 (26 C) 0,13 (50 C) Fraunhofer Institute ISE sistemi vetrati proprietà variabili: termotropici sistemi vetrati proprietà variabili: termotropici Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi fotocromici Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi a cristalli liquidi I materiali fotocromici cambiano le loro proprietà ottiche se esposti alla luce UV e ritornano allo stato originale al buio. Sono coinvolte speci chimiche con due differenti stati energetici caratterizzati da diversi spettri di assorbimento. Sono utilizzati sali metallici, AgCl, AgBr, o materiali plastici. Utilizzati nel campo ottico, poco per vetrate per costo e difficile realizzazione. Si sono realizzati anche sistemi controllati dall esterno. Si tratta di un multistrato con un elettrodo sensibile alla radiazione (TiO 2 )eunelettrodocromogenico(wo 3 ) separati da un elettrolita e posti tra due conduttori trasparenti collegati elettricamente (SnO 2 :F, In 2 O 3 :Sn). sistemi vetrati proprietà variabili: fotocromici sistemi vetrati proprietà variabili: cristalli liquidi

23 Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi a cristalli liquidi Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi «redirecting» VETRI A SELETTIVITÀ ANGOLARE OKASOLAR sistemi vetrati proprietà variabili: cristalli liquidi Sovrintendenza ai Monumenti Esslingen, Germania, 2004 Odilo Reutter Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi «redirecting» VETRI A SELETTIVITÀ ANGOLARE OKATECH Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi «redirecting» Biblioteca Centrale Seattle, USA, 2004 Rem Koolhaas sistemi rifrattivi prismatici

24 Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi «redirecting» Controllo della trasmissione di energia solare: sistemi microstrutturati Denmark Tech University sistemi redirecting combinati con PCM Controllo della trasmissione di energia solare: elementi fotovoltaici integrati Controllo della trasmissione di energia solare: elementi fotovoltaici integrati Cell Efficiency ~ 15% Elementi semitrasparenti: Celle standard con spazi tra celle o uso di celle semi trasparenti Power Glass Cell Efficiency ~ 7% Shibuya, Japan The First BIPV Building in Japan Elementi trasparenti: Moduli in silicio amorfo, trasparenza omogenea Rispetto ai primi materiali la qualità della visione è molto migliorata XsunX, Inc. Aliso Viejo, CA (USA) fotovoltaico integrato nel sistema vetrato BIPV. F s =20-70%, t v =15-70%

25 Controllo della trasmissione di energia solare: elementi fotovoltaici integrati ZEB energy supply: PV 1071 pannelli fv CIS: 800 m2 Potenza nominale: 80 kwp Integration on building World Join Center M. Cerri - Milano Controllo della trasmissione di energia solare: elementi fotovoltaici integrati Superfici autopulenti L ossido di titanio catalizza l ossidazione delle molecole organiche sotto azione raggi UV Schermatura solare Effetto veneziana Schermatura solare con lamelle fotovoltaiche L ossido di titanio ha anche proprietà idrofile

26 Caratterizzazione: Resa Cromatica Caratterizzazione: Resa Cromatica La capacità di una luce di rendere il colore, si misura paragonando i colori degli oggetti illuminati dalla luce in esame con quelli che si ottengono con una lampada campione che riproduce l illuminazione naturale. Secondo la normativa CIE, vengono illuminati 14 predefiniti campioni di colori con una sorgente di riferimento e con la sorgente che si vuole caratterizzare. Mediante uno spettrofotometro si determina oggettivamente il colore apparente dei 14 campioni e si calcola la media degli scostamenti cromatici che si verificano nelle due letture. Si ottiene il parametro Indice di Resa Cromatica. Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre 2017 Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre 2017

27 Caratterizzazione: Resa Cromatica Caratterizzazione: Resa Cromatica Vetri colorati Vetri riflettenti Caratterizzazione: Resa Cromatica Caratterizzazione: colore del vetro Vetri colorati Diagramma CIE e Coordinate CIE xy e CIE Lab

28 Caratterizzazione: un esempio dai configuratori Involucro trasparente: riassunto T vis R vis T sol R sol FS Float 90.5% 7.9% 87.9% 6.7% 89.3% SnO % 12.0% 61.7% 12.4% 68.4% t v, r v1, r v2 Ag-Ag 63.5% 10.6% 33.6% 42.3% 39.8% t e, r e, a e Ra Fe-Cr 9.3% 34.0% 7.3% 43.6% 20.0% g, SC 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 = Involucro trasparente: riassunto Involucro trasparente: riassunto Famiglie di vetri Parametri che caratterizzano un sistema vetrato U-value, trasmittanza 0,6-6 W/m 2 K guadagno solare 0,1-0,7 coefficiente di trasmissione visibile 0,1-0,8

29 Involucro trasparente: riassunto Il mercato e i prezzi indicativi Involucro trasparente: regole di base Involucro trasparente: regole di base Le finestre devono essere di altissima qualità in modo che confort e benessere siano ottimali anche in vicinanza della facciata. Come effetto collaterale desiderato la finestra stessa diventa il radiatore, l elemento di riscaldamento, del locale.

30 Involucro trasparente: aspetti meccanici Involucro trasparente: aspetti meccanici Vetro standard vetro ricotto vetro raffreddato lentamente in maniera controllata si evita il formarsi di tensioni residue Quando il vetro temprato si rompe l improvviso rilascio delle tensioni interne provoca una rottura in piccoli frammenti non si ha la formazione di lame di vetro Vetro temprato vetro riscaldato nuovamente dopo il raffreddamento le superfici sono raffreddate più velocemente del cuore si inducono tensioni di compressioni permanenti sui bordi e sulle facce si inducono e tensioni di trazione nel cuore la resistenza a flessione è circa 4 volte quella del vetro normale si ottiene una maggiore resistenza agli stress termici e agli impatti Resistenza e tipo di rottura lo rendono adatto per: porte lastre calpestabili coperture pareti vetrate Svantaggi costo si può perdere qualità ottica foratura e taglio devono essere eseguiti prima della tempra Uso del vetro temprato Il vetro piano temprato Il vetro piano temprato Quando un vetro si rompe si formano tanti piccoli frammenti con bordi poco taglienti e quindi meno pericolosi, risulta perciò adatto per impieghi come vetro di sicurezza. Le caratteristiche dimensionali e qualitative dei vetri temprati termicamente sono riportate nella Norma EN La tempra di un vetro si ottiene attraverso un trattamento termico: riscaldamento seguito da un brusco raffreddamento. Questo trattamento aumenta considerevolmente la resistenza del vetro alle sollecitazioni meccaniche e termiche senza alterare le proprietà spettrofotometriche.

31 Il vetro piano stratificato Miglioramento delle prestazioni termiche: sistemi isolanti trasparenti TIM Il PVB viene steso sul vetro a temperatura e umidità controllata. L umidità risulta fondamentale nel controllo del processo. Sono i gruppi OH presenti che fanno da ponte. Si procede a una prima deaerazione (prepressatura) con laminazioni tra rulli intervallate da uno specifico ciclo termico. Per favorire la deaerazione le superfici del foglio di plastica non sono lisce, ma rugose (il foglio nativo è quindi opaco). lastra di vetro Strato PVB 0,38 mm comportamento elastoplastico L incollaggio finale si ottiene in autoclave a circa 140 C e atmosfere per qualche minuto. Limitazione dei moti convettivi: TIM geometrici. U=0,9-1,3 W/m²K, F s =17-40%, t v =11-54% Miglioramento delle prestazioni termiche: sistemi isolanti trasparenti TIM Miglioramento delle prestazioni termiche: sistemi isolanti trasparenti TIM I pannelli di elementi geometrici sono ottenuti per estrusione di materie plastiche (PMMA, PC) o di vetro. Le prestazioni luminose variano molto con l angolo di incidenza dei raggi solari. Tra condizione invernale (angolo incidenza vicino a 0 ) e condizione estiva si hanno differenze fino al 25%. La luce viene diffusa all interno degli ambienti con miglioramento della sua distribuzione. Limitazione dei moti convettivi: TIM geometrici. U=0,9-1,3 W/m²K, F s =17-40%, t v =11-54% Limitazione dei moti convettivi: TIM aerogel. U=0,4-0,5 W/m²K, F s =50-70%, t v =50-70%

32 Miglioramento delle prestazioni termiche: sistemi isolanti trasparenti TIM Miglioramento delle prestazioni termiche: film polimerici barriere alla convezione Pellicola con rivestimento bassoemissivo (riflettente) sospesa in intercapedine. Sistemi a doppia lastra con prestazioni di un triplo vetro con i pesi senza aumenti di peso. Studio di architettura Monaco di Baviera, Germania,1994 Thomas Herzog Limitazione dei moti convettivi: film polimerici. U=1,0-1,4 W/m²K, Fs=18-50% Miglioramento delle prestazioni termiche: film polimerici barriere alla convezione Miglioramento delle prestazioni termiche: sistemi vetrati sottovuoto VIG Prodotto Configurazione Film SC SHGC Ug Doppio float 4 20 aria - 4-0, ,8 HM TC aria - 3 Bassoemissivo 0,58 0,50 1,20 HM SC aria - 3 Controllo solare 0,42 0,36 1,37 HM HPR aria - 3 Riflettente 0,21 0,18 1,40 Nippon Sheet Glass - Spacia VIG - Ulster University VIG Lawrence Berkeley LAB Limitazione dei moti convettivi: sistemi sottovuoto. U=0,5-0,9 W/m²K

33 Miglioramento delle prestazioni termiche: sistemi vetrati sottovuoto VIG Il Serramento: sistema vetrato + telaio Per garantire elevate prestazioni del sistema è necessario utilizzare telai ad elevate prestazioni: 3 vetri 4 mm di cui 2 con coating low e (ε = 0.03) Doppia intercapedine evacuata Spessore 12,5 mm Ug stimato 0,26 W/m 2 K legno bassa densità materiali polimerici (PVC) con anima in metallo profilato metallico (alluminio, acciaio) con taglio termico misto metallo legno e metallo polimero PVC-Alluminio Alluminio con taglio termico PVC Limitazione dei moti convettivi: sistemi sottovuoto Legno Il Serramento: telaio Il Serramento: telaio a elevate prestazioni Taglio termico elevate prestazioni Limitazione della radiazione nelle camere Vetrate triple o sistemi telaio-controtelaio

34 Il Serramento: telaio a elevate prestazioni Il Serramento: telaio a elevate prestazioni Il Serramento: trasmittanza telaio + sistema vetrato UNI pren ISO Windows, doors and shutters Thermal transmittance: calculation method ; EN673 - Glass in building - Determination of thermal transmittance (U value): Calculation method ; Ug Ag + Uf Af + Uw = Ag + Af ψ glg Qw = Aw Uw determinazione di: trasmittanza per il telaio trasmittanza per la parte centrale del vetro coefficiente lineico per il bordo media pesata mediante le aree dei componenti il vetrocamera determinazione trasmittanza globale del sistema vetrato e quindi delle dispersioni ( T T ) a e Il Serramento: trasmittanza telaio U f valori standard MATERIALE TIPO DI TELAIO U F W/(m 2 K) Poliuretano Con anima di metallo e spesso più di 5 mm 2,6 PVC profilo Con due camere 2,1 vuoto Con tre camere 1,9 Materiale d [mm] U f W/( m 2 K)] Legno Metallo 20 2, , , , , , , ,10 4 4,2 6 3,7 8 3,5 10 3,3 12 3,2 15 3,1 20 3,1

35 Il Serramento: trasmittanza telaio U f norma EN10077 Il Serramento: trasmittanza telaio U f norma EN10077 Telai in polimero Telai in legno Il Serramento: trasmittanza telaio U f norma EN10077 Il Serramento: trasmittanza telaio U f - calcolo elementi finiti Telai in metallo

36 Il Serramento: trasmittanza telaio U f misura con Hot-Box Il Serramento: coefficiente lineico Ψ Tipo telaio 2IG Standard U g : 2,7 3,4 2IG LE U g : 1,3 2,6 3IG Standard U g : 1,9 2,4 3IG LE U g : 0,8 1,9 Legno U f :1,1 2,5 0,03 0,05 0,03 0,04 Polimero U f :1,5 2,6 0,04 0,06 0,04 0,05 Metallo con taglio termico 0,05 0,07 0,05 0,06 U f :2,4 3,8 Metallo senza taglio termico 0,01 0,04 0,01 0,03 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; Il Serramento: esempio di calcolo di U w Il Serramento: esempio di calcolo di U w 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 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 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 Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre ,05 0,07 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)=4,4mCapoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre 2017

37 Il Serramento: esempio di calcolo di U w Il Serramento: misura U w con Hot-Box 3 E possibile a questo punto applicare la relazione vista: termocoppie imbotte (4 lato freddo) U w U w UgAg + UfAf + ψ glg = A + A g 1,7 x 2,44 + 2,1 x 0,7 + 0,07x4,4 = = 2,44 + 0,7 W = 1,9 2 m K f termocoppie campione (9 lato caldo, 9 lato freddo) termoflussimetro (1 lato caldo, 1 lato freddo) termocoppie supporto (8 lato caldo, 8 lato freddo) I valori sono compatibili con quelli previsti della normativa fino alla zona E Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre 2017 PANNELLO DI SUPPORTO E CAMPIONE IN PROVA Il contesto: DM 26/6/2015 (Requisiti minimi) Il contesto: DM 26/6/2015 (Requisiti minimi) Regione Lombardia

38 Il contesto: DM 26/6/2015 (Requisiti minimi) Il contesto: DM 26/6/2015 (Requisiti minimi) Il valore minimo del fattore di trasmissione solare totale g tot per componenti finestrati, con orientamento da Est a Ovest passando per Sud, è 0,35 (corrispondente alla classe 2) in presenza di una schermatura mobile Regione Emilia Romagna Zona climatica g gl+sh Dal 1 ottobre 2015 Dal 1 gennaio 2021 Tutte Il contesto: luce naturale e fattore medio di luce diurna Valori di riferimento Valori consigliati Caratterizzazione energetica: permeabilità all aria ambito F mld F < 0,3 % insufficiente 0.3 % < F < 2 % sufficiente 2.0 % < F < 4 % buono 4% < F ottimo locali di residenza palestre, refettori 0,02 0,02 Gli infissi sono classificati in base alla loro permeabilità all aria ottenuta con prova di laboratorio (UNI EN 1026:2001), in diverse classi (UNI EN 12207:2000). Leggi, norme, circolari prevedono: tipo di destinazione d uso F mld uffici, scale, servizi igienici, spogliatoi aule, laboratori 0,01 0,03 ambienti di degenza 0,03 3% ambienti di degenza 0,03 palestre, refettori 0,02 2% ambulatori, ambienti per la diagnostica 0,03 uffici, spazi di distribuzione, scale 0,01 1% edilizia pubblica sovvenzionata 0,06 Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre

39 Caratterizzazione energetica: permeabilità all aria Permeabilità all aria e prestazioni acustiche La norma EN 12207:2000 stabilisce diverse classi di permeabilità Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 Università settembre IUAV 2017 Environmental Building Physics prof. Fabio Peron 154 Prestazioni acustiche: potere fonoisolante Prestazioni acustiche: potere fonoisolante Si può descrivere in modo sintetico con un unico valore la capacità fonoisolante di una parete usando l indice di valutazione del potere fonoisolante, R w. Sulla base di dati sperimentali per il vetro la relazione proposta dall Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris (IENGF) è la seguente: R w = 12 log( M) + 17 con vetro monolitico con vetro stratificato con vetrocamera vetrocamera con lastre di vetro stratificate Basso potere fonoisolante per effetto di risonanza f 0, ed effetto di coincidenza f c. Rispetto alla lastra semplice migliora il comportamento relativamente alle perdite di potere per effetto di risonanza e coincidenza; lo spessore più elevato va posto verso l esterno; per spessori diversi di PVB: minore verso l esterno. Potere fonoisolante più elevato, ma caratterizzato da perdite acustiche in corrispondenza di frequenze importanti per il rumore da traffico; consigliati spessori diversi dei vetri. Buon comportamento in termini di andamento spettrale (sono molto smorzate le perdite di isolamento); frequenza di risonanza più bassa possibile (< 100 Hz), mediare lo spessore tra intercapedine e vetro; spessori diversi dei vetri; lo stratificato verso l interno in climi freddi; intercapedine con gas pesanti finestra doppia Elevato potere fonoisolante. Necessità di ventilazione interna per evitare problemi di condensa. Costo elevato Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 Università settembre IUAV 2017 Environmental Building Physics prof. Fabio Peron 155 Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 Università settembre IUAV 2017 Environmental Building Physics prof. Fabio Peron 156

40 Miglioramento delle prestazioni acustiche Il contesto: normativa di riferimento lastra di vetro Strato PVB 0,38 mm comportamento elastoplastico Il PVB viene steso sul vetro a temperatura e umidità controllata. L incollaggio finale si ottiene in autoclave a circa 140 C e atmosfere per qualche minuto. UNI EN 410 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 2003 UNI EN 673 Vetro per edilizia Determinazione della trasmittanza termica (valore U) Metodo di calcolo. EN 674 Glass in building Determination of thermal transmittance (U value) Guarded hot plate method 2011 UNI EN /2 Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate Calcolo della trasmittanza totale e luminosa Parte 1: Metodo semplificato. Parte 2: Metodo di calcolo dettagliato. UNI EN ISO /2 Prestazione termica di finestre, porte e chiusure Calcolo della trasmittanza termica UNI EN Tende e chiusure oscuranti Benessere termico e visivo Caratteristiche prestazionali e classificazione Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 Università settembre IUAV 2017 Environmental Building Physics prof. Fabio Peron 157 Sistemi vetrati e comfort termico Sistemi vetrati e comfort termico Anchequandoinunambientesiabbianocondizioniglobali corrispondenti a comfort con valori di PMV e PPD buoni ci possono essere situazioni locali che portano gli occupanti ad avvertire sensazioni di discomfort. Le tipologie di discomfort localizzato evidenziate dai ricercatori sono le seguenti: Presenza di correnti d aria Pavimento troppo caldo o troppo freddo Elevato gradiente verticale di temperatura Asimmetria della temperatura radiante

41 Sistemi vetrati e comfort termico Sistemi vetrati e comfort luminoso Per avere una buona qualità della visione si deve ottenere: equilibrata distribuzione delle luminanze (assenza di forti contrasti) buona resa dei colori (spettro continuo e appropriata temperatura di colore) adeguato livello di illuminamento assenza di riflessioni fastidiose assenza di abbagliamento diretto Sistemi vetrati, comfort luminoso e simulazione scale e ascensori Ufficio con 3 posti di lavoro corridoio vetrochiamera chiara t v 0,77 vetrocamera controllo solare r v 0,43 e t v 0,44 sistema elettrocromico t off 0,74 t on 0,03 tendaggi interni tende alla veneziana frangisole ufficio tipo 48,5 sezione trasversale scale e servizi il modello di riferimento Il modello di riferimento

42 Sistemi vetrati, comfort luminoso e simulazione Sistemi vetrati, comfort luminoso e simulazione vetri: 1_semplice vetri: 1_semplice 2_riflettente 3_elettrocromico 1 4 2_riflettente 3_elettrocromico 1 4 sistemi schermanti: sistemi schermanti: 4_tende 4_tende 5_frangisole 2 5 5_frangisole 2 5 6_veneziane 6_veneziane 21_03 ore Capoferri Serramenti Spa, Adrara San Martino, 6 settembre _03 ore % simulazioni del campo luminoso rendering fotorealistico (analisi visiva) >>> sequenze immagini in falsi colori (analisi visivo-quantitativa) >>> controllo dell abbagliamento >>> equilibrio delle luminanze % sistemi vetrati indici 100 puntuali cm cm linea 1 linea 2 indici puntuali calcolo del fattore di luce diurna (%) calcolo dell illuminamento (lux) 1 > solstizio d estate c.i.e. clear sky 2 > equinozio 3 > solstizio d inverno c.i.e. overcast sky 4>solstizio d inverno lux cm 21_03 semplice elettrocromico_off elettrocromico_on riflettente ore Le simulazioni effettuate. Il fattore di daylight e l illuminamento.

43 vetri considerati: vantaggi limiti Un esempio di analisi energetica 1_semplice 2_riflettente 3_elettrocromico elevata luminosità (energetici) (estetici) privacy (luce diurna) equilibrio delle luminanze elevata luminosità illuminamento uniforme versatilità d uso privacy abbagliamento luminanze non equilibrate abbagliamento luminosità limitata luminanze non equilibrate inibizione vista dell esterno tempi di transizione lunghi n di cicli limitato (costi elevati) Alcune conclusioni. ITIS Zuccante Mestre Le normative operano in condizioni standard Introduzione dei parametri reali nei codici di calcolo Simulazione con TRNSYS (Transient Energy System, University of Wisconsin and University of Colorado) Nel caso in studio si mira ad un buon isolamento termico invernale piuttosto che ad un controllo solare estivo Confronto tra vetrate singole (situazione attuale), vetrate isolanti semplici e vetrate isolanti bassoemissive Un esempio di analisi energetica Un esempio di analisi energetica CARATTERISTICHE GEOMETRICHE Zone termiche: Palestra 3762 m³ Uffici 3520 m³ Aule m³ Superficie disperdente: 9389 m² Superficie opaca (86%): 8075 m³ Superficie vetrata (14%): 1314 m² Volume riscaldato: m 3 OCCUPAZIONE Palestra Uffici Aule 45 persone 120 persone 1000 persone GESTIONE Utilizzo dell edificio: 08:00 13:00 utilizzo pieno (giorni feriali) 14:00 18:00 utilizzo = 20% (giorni feriali) Apporti interni: 70 W per persona (modesta attività fisica) 210 W per persona (elevata attività fisica) 100 W per calcolatore (120 calcolatori) 11 kw illuminazione (zona palestra) 12 kw illuminazione (zona uffici) 27 kw illuminazione (zona aule) Funzionamento impianto (solo riscaldamento): 15 ottobre 15 aprile Setpoint di temperatura: 16 C zona palestra (12 C ore non occupate) 20 C zona uffici (16 C ore non occupate) 19 C zona aule (16 C ore non occupate) Ventilazione: 60 m³/h zona palestra 40 m³/h zona uffici 25 m³/h zona aule Infiltrazione: 0.15 ricambi / h

44 Un esempio di analisi energetica Un esempio di analisi energetica Basso emissiva Doppia Singola carico termico totale dispersione involucro carico di ventilazione carico di infiltrazione Richiesta di calore (kw/h) Richiesta di calore [kw h] Ottobre(15-31) Novembre Dicembre Gennaio Febbraio Marzo Aprile (1-15) Fabbisogno energia mensile Singola Doppia Basso emissiva Fabbisogno energetico globale Un esempio di analisi energetica Un esempio di analisi energetica Richiesta di calore [kw h] Vetrata doppia Vetrata doppia con film basso Vetrata singola 6/12/6 con Aria emissivo 6/12/6 con Argon Palestra Uffici Aule Totale Minore richiesta di calore [%] Palestra Uffici Aule Totale Richiesta di energia termica primaria totale [kw h] Vetrata doppia Vetrata doppia con film basso Vetrata singola 6/12/6 con Aria emissivo 6/12/6 con Argon Totale Rispetto a Vetrata singola Rispetto a Vetrata doppia Rendimento globale medio stagionale [%] Minore richiesta di energia primaria [%]

45 Un esempio di retrofit energetico Un esempio di retrofit energetico vetri esistenti nuovi vetri isolanti con tecnologia seriousglass finestre: oltre IGU Produttore Prodotto Configurazione Ug T vis SF Serious Materials 1125 Picture Windows SeriousGlass TM 20 Doppia Lastra, 3 pellicole con basso valore di SHGC films; riempimento con Xeno 0,28 0,23 0, Un esempio di retrofit energetico Un esempio di retrofit energetico

46 Un esempio di retrofit energetico CONCLUSIONI Grazie ai progressi tecnologici degli ultimi decenni il vetro non deve essere considerato un punto debole nel bilancio energetico di un edificio, bensì parte attiva e versatile 181 Bibliografia AA. VV., Il Vetro Manuale tecnico, Saint Gobain. AA. VV., Atlante del Vetro, UTET, Torino, Siti interessanti: