LEZIONI DEL LABORATORIO DI PROGETTAZIONE TECNICA E STRUTTURALE 2014-15 L INVOLUCRO OPACO 1. LA TRASMITTANZA TERMICA La grandezza più importante per caratterizzare il comportamento termico dell involucro edilizio in condizioni invernali è la trasmittanza. Questa è definita come la quantità di calore nell unità di tempo che attraversa una parete di superficie unitaria in virtù di una differenza di temperatura fra interno ed esterno pari a 1 K. La definizione stessa di trasmittanza presuppone che il flusso termico sia monodimensionale e che le condizioni siano stazionarie, ovvero la differenza di temperatura fra interno ed esterno sia costante nel tempo. Nella realtà non è mai così, ma le condizioni stazionarie approssimano sufficientemente bene la situazione invernale più sfavorevole, ovvero l assenza del sole. Figura 1: trasmittanza termica di una parte senza e con isolamento termico 1
Il flusso di calore che attraversa la parete nelle condizioni suddette è: Dove Q [W] è il flusso di calore nell unità di tempo, A [m²] è la superficie della parete, U [W/m²K] è la trasmittanza, T i [ C] è la temperatura interna, supposta uguale a quella dell aria interna, e T e [ C] è la temperatura esterna, supposta uguale a quella dell aria esterna. Per il calcolo della trasmittanza si utilizza la formula: (1) (2) Dove Rsi e Rse sono le resistenze termiche liminari [m 2 K/W], λ i è la conducibilità termica [W/mk] dell iesimo strato della parete, s i è lo spessore dell iesimo strato della parete. Rsi e Rse definiscono lo scambio di calore per irraggiamento e convezione tra le superfici limite della parete e gli ambienti rispettivamente interno ed esterno. I valori sono riportati sulla norma UNI 6946: Figura 2: valori di Rsi e Rse come riportati nella norma UNI 6946 La conducibilità termica λ è una caratteristica del materiale che costituisce lo strato della parete. Si riportano di seguito alcuni valori: 2
-1 Sostanza W m -1 K diamante 1000-2600 argento 430 rame 390 oro 320 alluminio 236 ottone 111 platino 70 vetro 1 acqua distillata 0,6 laterizi 0,8 lana 0,05 vermiculite 0,046 polistirolo espanso 0,03 I materiali da costruzione hanno valori di conducibilità relativamente bassi. In particolare i cosiddetti isolanti hanno valori nell ordine di qualche centesimo di W/mK. Come è possibile dedurre dalla formula (2) minore è la conducibilità degli strati costituenti la parete e minore sarà anche il calore che attraversa la medesima. Per questo motivo, per ridurre le dispersioni energetiche dell involucro verso l esterno, è bene realizzare pareti con una trasmittanza più bassa possibile. La conducibilità termica non dipende dallo spessore del materiale, invece la resistenza termica ne tiene conto essendo definita da: (3) Questa relazione ci dice che il potere isolante di uno strato non dipende solo dalla conducibilità, ma anche dal suo spessore. Strati di materiale con una conducibilità non molto bassa, ma con spessori importanti (es: laterizi porizzati) possono comunque garantire basse trasmittanze dell intera parete. Uno strato di materiale all interno di una chiusura deve essere considerato o attraverso la sua conducibilità e il suo spessore o direttamente attraverso la sua resistenza. Il secondo caso è preferibile per i materiali composti (es: laterizi forati). Nei calcoli della trasmittanza non bisogna mai confondere conducibilità con resistenza termica. 3
2. I PONTI TERMICI Un ponte termico è una porzione dell involucro in cui il flusso non è più monodirezionale. Può essere geometrico o materiale: Figura 3: ponti termici geometrici (a sinistra) e materiali Un ponte termico si definisce geometrico quando è dovuto ad una discontinuità geometrica senza variazione di materiali nell involucro, si definisce materiale e invece quando nasce dall accoppiamento di materiali diversi (es: muratura in laterizio con isolamento a cappotto e soletta in c.a.). Per i ponti termici lineari non si può definire la trasmittanza come riportato al paragrafo precedente, ma il calore disperso nell unità di tempo deve essere definito dalla: (3) Dove ψ è la trasmittanza termica lineica [W/mK] e L è la lunghezza del ponte termico. Alcuni valori di ψ possono essere desunti dalle tabelle della norma UNI 14683. L attuale norma di calcolo sulle prestazioni energetiche degli edifici (UNI 11300 TS) permette di considerare le dispersioni attraverso i ponti termici come percentuale delle dispersioni attraverso le superfici omogenee, in funzione del tipo di involucro ed esclusivamente per gli edifici esistenti. Ai fini progettuali comunque la corretta soluzione dei ponti termici è di fondamentale importanza. Essi infatti si rivelano quasi sempre punti dell involucro fortemente disperdenti a causa dell elevata 4
temperature superficiale che possono assumere durante la stagione invernale, a causa dell interruzione dello strato isolate (se esistente). Tramite immagini termografiche è possibile apprezzare qualitativamente l entità di queste dispersioni: Figura 4: termografia di un edificio prima di un intervento di coibentazione della facciata Figura 5: termografia di un edificio dopo un intervento di coibentazione della facciata, ma senza correzione dei ponti termici 5
Dalle immagini sopra riportate è evidente come l importanza dei ponti termici diventa maggiore per quegli edifici il cui involucro ha delle prestazioni termiche elevate. In edifici molto disperdenti l importanza percentuale dei ponti termici è modesta, essa aumenta invece in edifici molto coibentati. Alla luce delle attuali normative sul risparmio energetico la corretta soluzione dei ponti termici diventa quindi fondamentale. 3. LA TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA Se durante l inverno è possibile trascurare, a favore di sicurezza, l influenza del sole sul comportamento dell involucro, non altrettanto è possibile fare durante l estate. In questo periodo infatti l irraggiamento solare è una delle principali cause di surriscaldamento, prescinderne vorrebbe dire sovrastimare la prestazioni dell involucro. È stato più vote accennato alla variabilità temporale dell azione del sole, che cambia durante le stagioni e durante il giorno. L effetto del sole sull involucro è dipendente dal tempo e bisogna quindi assumere un modello di trasmissione del calore dinamico, sebbene pur sempre monodirezionale. I principali modelli di calcolo suppongono una forzante esterna combinata aria-sole che abbia un andamento sinusoidale. La variazione di temperatura sulla superficie esterna dell involucro opaco causa una variazione sulla superficie interna che non è però di pari ampiezza ed è ritardata nel tempo. 6
Figura 6: rappresentazione schematica della variazione di temperatura sulla faccia interna ed esterna dell involucro opaco Assunto questo modello è possibile definire alcune grandezze: Lo sfasamento ( t) è l intervallo di tempo che intercorre tra un massimo dell onda termica sulla parete esterna e un massimo sulla parte interna. Le pareti più performanti possono avere anche sfasamenti di 24 h. Il fattore di attenuazione (f) invece è definito come il rapporto tra l ampiezza dell onda termica sulla parete interna e l ampiezza su quella esterna. È un valore adimensionale che varia tra 1 e 0. Calcolare questi valori non è semplice (si veda UNI 13786), ma possiamo comunque affermare che dipendono da: Densità Spessore Calore specifico di ogni singolo strato della parete, nonché dalla loro posizione reciproca. La normativa attuale (DPR 59/09) introduce il concetto di trasmittanza periodica che è data dal prodotto di U f Una parete efficiente per il funzionamento estivo dovrà quindi avere uno sfasamento maggiore possibile, un attenuazione minore possibile e conseguentemente, se anche le prestazioni in condizioni invernali sono elevate, una bassa trasmittanza periodica. 7
4. I REQUISITI DI LEGGE PER L INVOLUCRO La normativa nazionale per i requisiti di prestazione energetica degli edifici è molto articolata e non esiste un testo unico. A ciò deve aggiungersi la possibilità delle Regioni di legiferare in maniera autonoma in virtù della riforma del Titolo V della Costituzione del 2001. Il panorama normativo è di conseguenza eccessivamente complesso per essere trattato esaustivamente in questo corso. Di seguito verranno perciò date alcune indicazioni di massima per lo svolgimento dell esercitazione progettuale, in particolare per la scelta degli elementi costruttivi dell involucro. La principale normativa di riferimento è riportata nell immagine seguente. Figura 7: l evoluzione della normativa italiana in materia di requisiti energetici degli edifici. In rosso le norme di riferimento principali I requisiti di prestazione energetica richiesti cambiano a seconda del tipo di intervento previsto, che varia dalla realizzazione di un nuovo edificio alla semplice sostituzione del generatore di calore, ed in funzione della destinazione dell edificio, secondo le definizioni del DPR 412/93. Figura 8: tipi di intervento previsti dal Dlgs 192/05 8
Figura 9: categorie di edifici definite dal DPR 412/93 Per gli edifici di nuova costruzione ascrivibili alle categorie dalla E.1 alla E.4, i requisiti di legge possono essere così riassunti: Verifica indice prestazione energetica invernale EPi<EPilim o verifica alternativa (se Sup trasp/sup utile < 0,18) della trasmittanza elementi opachi verticali, orizzontali, chiusure trasparenti e vetri di ambienti riscaldati. Verifica indice di prestazione energetica dell involucro per il raffrescamento Epe, invol Epe, invol lim Verifica trasmittanza divisori tra edifici o unità immobiliari o tra locali non riscaldati ed esterno Verifica condensa superficiale e interstiziale Verifica inerzia termica involucro Valutazione efficacia sistemi schermanti, presenza di ventilazione naturale o in alternativa di ventilazione meccanica Presenza di sistemi schermanti esterni o vetri con g 0,5 Dispositivi regolazione automatica temperatura ambiente Fonti rinnovabili per produzione del 50% del fabbisogno di ACS Fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica Installazione di impianti fotovoltaici Predisposizione per reti di teleriscaldamento se presenti Verifica comunque obbligatoria delle trasmittanze dell involucro esterno se presenti impianti a biomassa Obbligo trattamento ACS Per gli edifici pubblici i limiti di EPi e di trasmittanza vanno ridotti del 10% 9
Per quanto riguarda i requisiti relativi all involucro opaco, ai fini dell attività del Laboratorio, si ritiene sufficiente la verifica di quanto riportato in grassetto e sottolineato, anche se non strettamente corrispondente con la normativa. In particolare per la scelta delle soluzioni costruttive relative all involucro opaco dovranno essere verificati: Il rispetto della trasmittanza degli elementi opachi verticali, orizzontali, chiusure trasparenti e vetri di ambienti riscaldati secondo i limiti riportati nel seguito Il rispetto della trasmittanza dei divisori tra edifici o unità immobiliari o tra locali non riscaldati ed esterno secondo i valori riportati nel seguito I valori di inerzia termica dell involucro secondo i limiti riportati nel seguito Che per gli edifici pubblici i limiti di trasmittanza siano ridotti del 10% Si riportano di seguito le tabelle relative alle trasmittanze limite: Figura 10: trasmittanze termiche involucro di ambienti riscaldati verso l esterno o verso ambienti non riscaldati. 10
Per quanto riguarda la trasmittanza di chiusure orizzontali di base contro terra, sempre ai soli fini del Laboratorio, è richiesta la verifica senza considerare l apporto del terreno (a differenza di quanto indicato dalla UNI 13370). Per i divisori tra edifici o unità immobiliari o tra locali non riscaldati e l esterno il limite da rispettare, indipendentemente dalla zona climatica, è di: U 0,8 W/m²K Per quanto riguarda l inerzia termica dell involucro (funzionamento dinamico estivo) la normativa prescrive di verificare che (ad esclusione della zona F) per le località in cui il valore medio mensile dell irradianza sul piano orizzontale nel mese di massima insolazione Im, s 290 W/m² : Per le pareti opache verticali ad eccezione di quelle nel quadrante Nord-ovest/Nord/Nord- Est: - la massa superficiale Ms (calcolata secondo la definizione dell All.A del Dlgs 192/05 come massa superficiale della parete opaca compresa la malta dei giunti ed esclusi gli intonaci) sia superiore di 230 kg/m² - o in alternativa che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica (Y I E ) sia inferiore a 0,12 W/m²k Per tutte le pareti opache orizzontali ed inclinate: - che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica (Y I E ) sia inferiore a 0,20 W/m²K Nel progetto del Laboratorio questa verifica è richiesta (indipendentemente dai valori di irradianza solare media mensile), ma può essere omesso il calcolo della Y IE assumendo per validi i valori riportati nelle schede tecniche dei prodotti da costruzione. Si ricorda inoltre che per tutti gli edifici pubblici i valori limite delle trasmittanze sono ridotti del 10%. 11