La Qualificazione energetica degli edifici. Parte Seconda Dott. Ing. Mauro CAPPELLO 1
Unità didattica: 4 La trasmittanza termica 2
La trasmittanza termica: introduzione La prestazione termica dei materiali, ovvero la loro maggiore o minore attitudine a favorire gli scambi di calore, viene stimata dalla grandezza fisica denominata conducibilità termica, spesso rappresentata dalla lettera greca λ (lambda). Sono materiali isolanti termicamente, quelli caratterizzati da un basso valore di λ e che pertanto forniscono maggiori ostacoli al passaggio del calore, mentre sono conduttori quelli aventi valore di λ più elevato e che, contrariamente ai precedenti favoriscono il transito dell energia termica. 3
La trasmittanza termica: introduzione - 2 MATERIALI Isolanti termici Valori modesti di λ (lambda). Conduttori termici Valori elevati di λ (lambda). 4
La trasmittanza termica: introduzione - 3 La definizione dei valori di λ caratteristici di ciascun materiale avviene attraverso l esecuzione di prove sperimentali effettuate su campioni di dimensioni standard, pertanto se consideriamo una parete omogenea a facce piane e parallele, di area pari ad 1 mq e spessore pari ad s, avremo che il calore scambiato tra le facce, indicato con la lettera greca Φ, nell unità di tempo è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura delle due facce T, alla conducibilità termica λ ed inversamente proporzionale allo spessore della parete s, ovvero: Φ = T λ s 5
La trasmittanza termica: introduzione - 4 È esperienza comune il fatto che a parità di condizioni e di materiali, il flusso di calore che attraversa un materiale diminuisce all aumentare dello spessore. Ciò significa che aumentando lo spessore di un materiale si aumenta anche il valore della sua resistenza termica. 1^ REGOLA FONDAMENTALE Aumentando lo spessore di un materiale si ottiene un aumento della sua resistenza termica, pertanto il calore troverà maggiori difficoltà ad attraversarlo 6
La trasmittanza termica: introduzione - 5 Un altra circostanza da analizzare è la seguente: a parità di spessore, il flusso di calore che attraversa il materiale varia da sostanza a sostanza, ovvero dipende proprio dalle caratteristiche dei singoli materiali 2^ REGOLA FONDAMENTALE A parità di spessore, il flusso di calore in transito, dipende direttamente dalle caratteristiche del materiale. Ne consegue che utilizzando come barriera al calore materiali diversi aventi lo stesso spessore avremo diverse quantità di calore in transito 7
La trasmittanza termica: introduzione - 6 Le precedenti considerazioni trovano una rappresentazione matematica in una semplice formula: U = λ s È la lettera greca lambda e rappresenta la conducibilità termica dei materiali. Il suo valore varia da materiale a materiale. Rappresenta il valore dello spessore del materiale attraversato dal calore La lettera U rappresenta la trasmittanza termica di un materiale e definisce la quantità di calore che passa attraverso un materiale avente spessore s e conducibilità termica λ 8
La trasmittanza termica: introduzione - 7 Come già detto la resistenza del materiale aumenta all aumentare dello spessore, inoltre abbiamo anche detto che i materiali Isolanti termicamente sono caratterizzati da bassi valori di λ. Ne consegue che la resistenza termica aumenta man mano che i valori di lambda diminuiscono!!!! Anche queste considerazioni possono trovare una formulazione di tipo analitico: R = s λ Come si vede, aumentando lo spessore, a parità di λ, aumenta il valore della resistenza termica R Mantenendo costante lo spessore s, la resistenza termica aumenta man mano che diminuisce λ, ovvero utilizzando materiali isolanti (λ basso) 9
La trasmittanza termica: introduzione - 8 La trasmittanza U e la resistenza R, termiche, sono legate da una relazione di tipo inverso, ovvero: U = 1 R 10
La trasmittanza termica: elementi di un involucro edilizio Superfici opache: Sono le superfici dei muri, delle coperture, dei solai. Superfici trasparenti: Sono le superfici che coincidono con gli infissi 11
La trasmittanza termica: calcolo per una parete multistrato - 1 Il calcolo della trasmittanza termica di una parete multistrato è molto semplice e costituisce la base di tutte le operazioni di qualificazione/certificazione energetica. Inoltre come si vedrà, sia il D.Lgs 19/02/07 sia il D.Lgs.311/2006 chiedono spesso al tecnico di verificare che i valori di trasmittanza siano inferiori a quelli tabulati nel decreto stesso! 12
La trasmittanza termica: calcolo per una parete multistrato - 2 Considerando una parete costituita da 1,2 n strati di diversi materiali, ognuno di spessore s 1, s 2,.s n, la conducibilità termica di ognuno è pari a λ 1, λ 2, λ n il valore della trasmittanza termica complessiva della parete sarà: U = 1 h i + s s s 1 + 2 +... n + λ 1 λ 2 I coefficienti h i ed h e, come anche i valori di λ, sono forniti dalle norme. 1 λ n 1 h e 13
La trasmittanza termica: calcolo per una parete multistrato - 3 Facciamo l esempio di una parete multistrato formata da: Intonaco interno spessore 0,02 m Pietra arenaria spessore 0,40 m Intonaco esterno spessore 0,02 m Calcoliamone la trasmittanza termica! 14
La trasmittanza termica: calcolo per una parete multistrato - 4 Per effettuare il calcolo dobbiamo conoscere gli spessori dei vari materiali componenti la parete, ma anche i valori delle singole conducibilità termiche. I valori della conducibilità termica da utilizzare per le murature sono reperibili nella norma UNI EN ISO 10355 Murature e solai Valori della resistenza termica e metodo di calcolo, possono anche essere reperiti presso il fornitore dei materiali. Negli edifici esistenti la misura della trasmittanza/ resistenza termica può essere fatta con opportuna strumentazione (termoflussimetri). 15
La trasmittanza termica: calcolo per una parete multistrato - 5 Per l esempio in oggetto, i dati in nostro possesso sono: Intonaco interno s 1 =0,02 m λ 1 = 0,70 W/mK Parete in pietra s 2 =0,40 m λ 2 = 1,75 W/mK Intonaco esterno s 3 =0,02 m λ 3 = 0,70 W/mK I valori h i =8 W/m 2 K ed h e =20W/m 2 K segnaliamo che essi sono fissati a priori secondo certe caratteristiche. 1 0,40 1,75 W m U = = 2,17 2 1 8 + 0,02 0,7 + + 0.02 0,7 + 1 20 K 16
I ponti termici: introduzione Con il termine ponti termici si intende indicare particolari discontinuità, dovute a materiali aventi diverse caratteristiche termiche, oppure a brusche variazioni geometriche della struttura. Tali discontinuità costituiscono di fatto vie preferenziali per il passaggio del calore, determinando così forti dispersioni. La figura a lato riporta l esempio di uno spigolo. Lo spigolo è proprio una delle tipologie di ponte termico esistenti, esse sono tutte riportate nella norma UNI EN ISO 14683 Ponti termici in edilizia Coefficiente di trasmissione termica lineica Metodi semplificati e valori di riferimento 17
I ponti termici: tipologie Le varie tipologie di ponti termici sono descritte nella citata norma UNI, da cui è tratta la figura rappresentata. Notare che costituiscono ponti termici tutte le giunture (tra pareti Cn; parete-soffitto Rm, le finestre Wn, ecc) 18
I ponti termici: abaco numerico 19
I ponti termici: abaco numerico - 2 Come si vedrà nella successiva unità didattica relativa al bilancio energetico degli edifici, uno dei parametri da calcolare sono le dispersioni di calore. I ponti termici come già detto costituiscono vere e proprie vie preferenziali al flusso di calore in uscita, ovvero sono una delle cause di dispersione di calore. Per determinare la quantità di calore che ogni tipo di ponte termico disperde, possiamo ricorrere alla norma UNI 16483 oppure possiamo utilizzare alcuni abachi gratuitamente disponibili in rete. 20
La correzione dei ponti termici La normativa energetica prevede la verifica della trasmittanza degli elementi edilizi, a ponte termico corretto. Un ponte termico lo si definisce corretto, quando attraverso una serie di interventi mirati, si riesce ad ottenere l annullamento delle relative dispersioni. Tali interventi, per essere veramente efficaci, debbono necessariamente essere posti in opera in sede di costruzione 21
La correzione dei ponti termici - 2 22
La correzione dei ponti termici - 3 23
Bilancio energetico di un edificio: introduzione La parola bilancio viene frequentemente associata ad argomenti di natura economica. Con tale termine si intende confrontare il volume delle entrate e delle uscite, verificando a saldo, la situazione finale delle aziende. Anche per qualificare da un punto di vista energetico un edificio è necessario operare un bilancio, soltanto che le grandezze da confrontare non sono somme di denaro, bensì flussi di energia!!! Vedremo, preseguendo in questa unità didattica, che esistono flussi di energia che entrano nell edificio e flussi di energia che invece ne escono. 24
Bilancio energetico di un edificio: i flussi di energia Il bilancio di energia comprende i seguenti termini: Dispersione termica per trasmissione e ventilazione dall ambiente riscaldato verso l ambiente esterno; Scambio termico per ventilazione e trasmissione tra zone adiacenti; Apporti termici interni Apporti solari; Perdite per generazione, distribuzione, emissione e regolazione dell impianto di riscaldamento. 25
Bilancio energetico di un edificio: Metodo di calcolo Per ciascun periodo di calcolo (mese o stagione di riscaldamento) è necessario: 1) Calcolare la temperatura termica interna corretta; 2) Calcolare la dispersione termica Q L ; 3) Calcolare gli apporti termici interni Q i ; 4) Calcolare gli apporti solari Q S ; 5) Calcolare il fattore di utilizzazione degli apporti termici, definito dalla lettera greca η (eta); 6) Calcolare il fabbisogno termico Q h per tutti i periodi di calcolo; 7) Calcolare il fabbisogno termico Q h annuale; 8) Calcolare il fabbisogno di energia per riscaldamento 26
Bilancio energetico di un edificio: Temperatura interna corretta La nozione di temperatura interna corretta si applica quando il riscaldamento avviene con modalità diverse durante il periodo di funzionamento, per esempio intensità normale di giorno, intensità ridotta di notte. Il calcolo viene condotto suddividendo il periodo di funzionamento in sottoperiodi, caratterizzati da intensità normale alternata ad intensità ridotta, come rappresentato nella figura a seguire tratta dalla norma UNI 13790 Ogni periodo di calcolo viene caratterizzato tramite i seguenti parametri: Durata; Numero di volte in cui ricorre tale tipo di periodo; Modo di intermittenza; ecc 27
Bilancio energetico di un edificio: La definizione di temperatura interna corretta è recata dal punto 6.1 della norma citata La temperatura interna corretta è la temperatura interna costante che darebbe luogo alla stessa dispersione termica ottenuta con il riscaldamento intermittente durante lo stesso periodo 28
Bilancio energetico di un edificio: Calcolo delle dispersioni La dispersione termica avviene sia attraverso gli elementi dell involucro edilizio sia ad opera della ventilazione (introducendo masse di aria dall esterno dentro l ambiente riscaldato, l ambiente stesso si raffredda, da qui la dispersione termica). Il calcolo della dispersione termica deve quindi tenere conto dei due fenomeni: Q = H ( θ θ ) t L i e Nella formula si indica con θ i la temperatura interna (fissata normalmente al valore di 20 C) con θ e la temperatura esterna. Il parametro H rappresenta il coefficiente di dispersione termica ed infine t è proprio il periodo di calcolo 29
Bilancio energetico di un edificio: Calcolo delle dispersioni Il parametro H, come detto tiene conto dei fenomeni di dispersione per ventilazione e dispersione per trasmissione, pertanto: H = H + H v t Ne consegue che prima di applicare la formula: QL = H ( θi θe) t È necessario determinare il valore dei due coefficienti H v ed H t. 30
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H v - Dispersioni per ventilazione La determinazione del coefficiente Hv avviene tramite l espressione: H = c V v ρ a a V rappresenta la portata d aria espressa in m 3 /s oppure in m 3 /h ρac a capacità termica dell aria per unità di volume Se la portata è espressa in m 3 /s 1.200 J/(m 3 K) ρ a c a Se la portata è espressa in m 3 /h 0,34 Wh/(m 3 K) 31
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H v - Dispersioni per ventilazione Considerazioni in merito alla salubrità degli ambienti consigliano di favorire comunque una certa ventilazione minima, anche per contrastare il fenomeno dell insorgenza delle muffe, in tal caso, ovvero in assenza di ventilazione si possono considerare i seguenti valori: o V min = 0, 5 V h Per edifici residenziali, dove V rappresenta il volume ventilato 32
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H v - Dispersioni per ventilazione Esempio: Si determini la portata minima prevista per un edificio di civile abitazione, avente superficie netta di 90 m 2 ed una altezza interna di 3 m. Si tratta di edificio residenziale senza impianto di ventilazione, dunque si applica la formula: V V o min = 0, 5 h Determiniamo la volumetria dell ambiente V=90 m 2 x 3 m = 270 m 3 Applicando la formula si ottiene: = 0,5 270 = h m h V o 3 min 135 33
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H v - Dispersioni per ventilazione Esempio: Dato un edificio uso uffici privo di impianto di ventilazione si determini la portata minima prevista dalla norma, sapendo che all interno di esso lavorano 63 persone. m h V o 3 min = 15 Basta semplicemente moltiplicare il dato della formula per il numero delle persone, otteniamo così: o V min = 15 x 63 = 945 m 3 /h 34
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H v - Dispersioni per ventilazione Finalmente, applicando la formula seguente, possiamo determinare il coefficiente Hv per poi determinare le perdite per ventilazione H = c V v ρ a I es.) 0,34 Wh/(m 3 K) x 135 m 3 /h = H v = 45,9 W/K II es) 0,34 Wh/(m 3 K) x 945 m 3 /h = H v = 321,3 W/K Nel primo caso calcoliamo la dispersione per ventilazione Q V, la quale è espressa in J quindi dovremo moltiplicare i W per i secondi nella formula a pag. 48 (i secondi in un ora sono 86400) a 35
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H v - Dispersioni per ventilazione Per determinare il valore della dispersione per ventilazione del primo esempio applichiamo la: Q = H ( θ θ ) t L i e Per convenzione si fissa la temperatura interna pari a 20 C mentre quella esterna deve essere rilevata per la singola località, ipotizziamo una temperatura esterna di 5 C. Per il parametro t della formula, calcoliamo il numero delle ore presenti in un mese (periodo scelto per il calcolo) 36
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H t - Dispersioni per trasmissione Occorre adesso determinare il termine H t della equazione a pag. 48, per fare ciò si deve fare riferimento alla norma UNI 13789. Il fenomeno della trasmissione del calore in un edificio riscaldato avviene in tre direzioni diverse: 1) tra ambiente riscaldato interno ed esterno; 2) tra ambiente riscaldato interno e terreno; 3) tra ambiente riscaldato interno e locali interni non riscaldati Ecco perché il coefficiente Ht sarà composto da tre termini ovvero: H t = H + H + int est int terreno H int scald int nonscald 37
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H t - Dispersioni per trasmissione Il primo termine stima il flusso di calore attraverso una parete che divide ambiente interno dall esterno (p.es. una parete perimetrale) il secondo stima il flusso di calore disperso attraverso solai o pareti a contatto con il terreno,infine l ultimo tra ambienti scaldati e quelli non scaldati (p.es vano scale, garage, magazzini, depositi, ecc) 38
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H t - Dispersioni per trasmissione La trasmissione tra ambiente interno ed esterno avviene attraverso la superficie delle mura perimetrali e quella degli infissi (finestre porte). Per determinare tale flusso occorre prima determinare il coefficiente H int-est la cui espressione è: H = AU + I Ψ + i i k k int est i k j j A i : area in mq della superficie dell elemento considerato (parete, porta, finestra) U i : trasmittanza termica dell elemento considerato Ψ i : trasmittanza termica del ponte termico lineare di lunghezza I k χ: trasmittanza termica ponte termico puntuale χ 39
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H t - Dispersioni per trasmissione Esempio Consideriamo il caso di una facciata avente superficie netta (esclusa la superficie delle finestre) di 80 mq, caratterizzata da un valore di trasmittanza pari a 0,34 W/m 2 K. Vi sono 6 finestre aventi superficie pari a 1,8 m 2 ciascuna e caratterizzate da trasmittanza pari a 2,5 W/m 2 K ognuna. È presente un ponte termico lineare avente Ψ = 0,8 (vedi pag. 39 quadro F2) per una lunghezza di 53 m. Calcolare il valore del coefficiente H t 40
Bilancio energetico di un edificio: Coefficiente H t - Dispersioni per trasmissione Muratura: AU= 80 m 2 x 0,34 W/m 2 K = 27,20 W/K Finestre: AU= 6 x(1,8 m 2 ) x 2,5 W/m 2 K = 27 W/K Ponti termici: ΨI= 0,8 W/mK x 53 m = 42,40 W/K Ne consegue: H t = 27,20 + 27,00 + 42,40 = 96,60 W/K 41
Bilancio energetico di un edificio: Apporti gratuiti persone/azione solare Oltre alle dispersioni termiche nel bilancio energetico si debbono considerare anche gli apporti gratuiti, ovvero le quantità di energia che sono fornite all edificio senza impianti di riscaldamento. Tali apporti sono dovuti: Alla presenza delle persone; All azione del sole sull edificio. Molte abitazioni, in virtù di una buona esposizione, ricevono importanti quantità di calore dal sole, esse permettono di mantenere la temperatura interna abbastanza costante intorno ai 20 C, tali edifici vengono spesso definiti PASSIVI!! 42
Bilancio energetico di un edificio: Apporti gratuiti interni La norma UNI 13790 propone una complessa formula per il calcolo degli apporti interni, tuttavia esiste una raccomandazione del Comitato Termotecnico Italiano (CTI) che reca alcuni valori di riferimento: Quando non si hanno dati a disposizione è possibile applicare il parametro di 5 W/m 2 43
Bilancio energetico di un edificio: Apporti gratuiti azione solare La stima dell energia apportata dall azione solare viene svolta partendo dalla conoscenza dell irradianza solare indicata con la lettera I. Per determinare in modo veloce e semplice l irradianza solare, l ENEA ha istituito l Atlante Italiano della radiazione solare che può essere consultato all indirizzo: http://www.solaritaly.enea.it/ Nel suddetto sito il calcolo è svolto in modo automatico inserendo come input solamente i dati relativi al posizionamento geografico della località, ovvero latitudine e longitudine. 44
Bilancio energetico di un edificio: Apporti gratuiti azione solare La relazione da utilizzare per la stima dell apporto solare è dettata sempre dalla norma UNI 13790: Q SI [ I A ( F F F ) ] = g S S S C F 45
Per i valori da utilizzare nella formula si deve ricorrere alla norma 13790. 46
A titolo di esempio, si riportano, tabellati in funzione del mese e dell orientamento, i valori della radiazione solare determinati per il Comune di Santa Marinella 47
La determinazione del valore di energia apportata dalla radiazione solare non reca particolari difficoltà, basta moltiplicare la superficie del singolo elemento edilizio per la radiazione pertinente l orientamento, quindi applicare, se necessario, i fattori correttivi previsti dalla norma UNI 13790 48