MATERIALI «COOL» PER L'EDIFICIO AD ENERGIA QUASI ZERO: DURABILITA' E CERTIFICAZIONE DELLE PRESTAZIONI

MATERIALI «COOL» PER L'EDIFICIO AD ENERGIA QUASI ZERO: DURABILITA' E CERTIFICAZIONE DELLE PRESTAZIONI Prof. Ing. Alberto Muscio DIEF Dip. di Ingegneria Enzo Ferrari, Univ. di Modena & Reggio Emilia EELab Energy Efficiency Laboratory (www.eelab.unimore.it) 1

Il mondo si sta urbanizzando Il 54% della popolazione della Terra vive nei centri urbani (3.9 miliardi di persone, dato 2014). Si salirà al 66% (6.3 miliardi) entro il 2050. Source: UN report World Urbanization Prospects 2014 2

Le aree urbane sono molto più calde del mondo attorno 3 Source: C. Pérez Arrau

e il mondo sta diventando sempre più caldo! 4

e il mondo sta diventando sempre più caldo! 5

La sovrapposizione degli effetti è drammatica! In sintesi: l'umanità si sta raccogliendo in città che sono molto più calde del mondo attorno, e il mondo si sta surriscaldando a sua volta! Entro il 2050, il fabbisogno di energia per raffrescamento nei settori residenziale e commerciale potrebbe aumentare fino a +750% e +275%, rispettivamente (fonte: Santamouris, 2016) 6

Edifici a energia quasi zero (DM 26/06/2015 «Requisiti minimi», All. 1, punto 3.4) 1. Sono edifici a energia quasi zero tutti gli edifici, siano essi di nuova costruzione o esistenti, per cui sono contemporaneamente rispettati: a) tutti i requisiti previsti dalla lettera b), del comma 2, del paragrafo 3.3 isolamento termico dell involucro edilizio schermatura delle finestre fabbisogno energetico per riscaldamento, per condizionamento e totale efficienza degli impianti per riscaldamento, condizionamento e produzione acqua calda sanitaria b) gli obblighi di integrazione delle fonti rinnovabili 7

(DM 26/06/2015 «Certificazione», All. 1, Par. 2.1) Il calcolo della prestazione si basa sui servizi effettivamente presenti: - climatizzazione invernale - climatizzazione estiva Prestazione energetica sempre presente - produzione di acqua calda sanitaria - ventilazione - illuminazione artificiale - trasporto di cose e persone solo nel non residenziale sempre presente nel residenziale 8

Prestazione energetica (DM 26/06/2015 «Certificazione», All. 1, Par. 2.1) Il calcolo della prestazione si basa sui servizi effettivamente presenti: - climatizzazione invernale - climatizzazione estiva - produzione di acqua calda - ventilazione 9

(DM 26/06/2015 «Certificazione», All. 1, Par. 2.1) Il calcolo della prestazione si basa sui servizi effettivamente presenti: - climatizzazione invernale Prestazione energetica - climatizzazione estiva - produzione di acqua calda sanitaria? - ventilazione - illuminazione artificiale - trasporto di cose e persone La climatizzazione estiva va considerata solo se effettivamente presente! 10

La storia può insegnarci qualcosa? 11

Componenti opachi: inerzia termica parete massiva 12

Componenti trasparenti: schermi solari Frangisole Veneziane Tendaggi 13

Componenti trasparenti: pellicole e vetri antisolari Pellicole selettive Vetri selettivi 14

Bilancio termico di un componente edile opaco insolato Radiazione solare incidente sulla superficie Riflettanza solare sol : frazione dell energia riflessa dalla superficie Emissività termica : capacità della superficie di re-irradiare nell infrarosso il calore assorbito Convezione Calore trasmesso nell edificio (a cui è associata una esigenza di raffrescamento) 15 (con bassa velocità del vento, la riemissione nell infrarosso è dominante rispetto alla convezione)

Bilancio termico di un componente edile opaco insolato Riflettanza solare bassa Radiazione solare incidente sulla superficie Emissività termica medio-alta Calma di vento Calore trasmesso nell edificio 16

Bilancio termico di un componente edile opaco insolato Riflettanza solare elevata Radiazione solare incidente sulla superficie Emissività termica medio-alta Calma di vento Calore trasmesso nell edificio 17

Bilancio termico di un componente edile opaco insolato Riflettanza solare elevata Radiazione solare incidente sulla superficie Emissività termica medio-alta Calma di vento Calore trasmesso nell edificio I materiali «cool» (cool roofs e cool pavements) sono soluzioni che presentano un elevata e durevole capacità di riflettere la radiazione solare 18

Materiali «cool» ad alta riflettanza 19

Materiali «cool» ad alta riflettanza: tipologie commerciali Tegole canadesi Vernici e guaine a spruzzo Tegole ceramiche Guaine a stendere Tetti in lamiera grecata 20

Riflettanza solare ( sol ) Può essere valutata integrando lo spettro della riflettività ( ) misurato sull intervallo rilevante per la radiazione solare (300-2500 nm), pesato sullo spettro dell irradianza solare spettrale (I ). sol 2500 ρ λ 300 2500 300 I I λ λ dλ dλ I I λ λ,max 21

Spettro di riflettività di materiali bianchi «cool» (selezione di materiali commerciali cool con colorazione bianca) 22

Spettro di riflettività di materiali bianchi «cool» (selezione di materiali commerciali cool con colorazione bianca) 23

Spettro di riflettività di materiali bianchi «ordinari» (selezione di materiali commerciali ordinari con colorazione bianca) 24

Materiali «cool color» Materiali con colorazione simile possono mostrare spettri di riflessione e riflettanza solare molto diversi sol =0.41 cool std sol =0.04 25

Materiali «cool color» Sono materiali con spettro di riflessione e, quindi, colore assegnati nel visibile, ma alta riflettività nell infrarosso vicino, in modo da ottenere una riflettanza solare relativamente elevata (sino a 0.50 per colori tradizionali dell edilizia come il rosso terracotta, contro valor tipici di 0.15 0.25) 26

Dire «bianco» o «chiaro» non basta! La riflettanza solare va misurata e certificata! Le prestazioni dei materiali «cool» sono certificate dal 1998 negli U.S.A. 27

Dire «bianco» o «chiaro» non basta! Dal 2014 le prestazioni dei materiali «cool» sono certificate anche in Europa 28

Rating program ECRC http://coolroofcouncil.eu/ Fabbricante o distributore Step 1: richiesta di un identificativo ECRC 29

Rating program ECRC Laboratorio accreditato ECRC http://coolroofcouncil.eu/ Fabbricante o distributore Step 1: richiesta di un identificativo ECRC Step 2: ottenimento di un report da un laboratorio accreditato ISO 17025 30

Rating program ECRC Laboratorio accreditato ECRC http://coolroofcouncil.eu/ Fabbricante o distributore Step 1: richiesta di un identificativo ECRC Step 2: ottenimento di un report da un laboratorio accreditato ISO 17025 Step 3: richiesta di inserimento nel database ECRC e di autorizzazione all uso dell etichetta ECRC 31 Database dei prodotti valutati ECRC Etichetta ECRC

EELab e materiali «cool»: ricerca, misura e certificazione Il Laboratorio EELab (www.eelab.unimore.it) è oggi in grado di eseguire, anche in regime di accreditamento ISO/IEC 17025 (Accredia) e con ECRC: Misure di riflettanza solare (ASTM E903, ASTM C1549, ASTM E1918) Misure di emissività termica (ASTM C1371, metodo slide, EN 15976) Determinazione di altri parametri di prestazione estiva dell involucro: SRI (ASTM E1980), trasmittanza periodica (EN ISO 13786), ecc. Invecchiamento accelerato soiling (ASTM D7897) e biologico Misure di proprietà termofisiche (conduttività, diffusività termica, ecc.) Analisi dinamica e simulazione CFD degli edifici 32

Campioni analizzati per anno da EELab 33

La normativa in Italia dopo i DD.MM. 26/06/2015 (D.M. 26/06/2015 «Requisiti minimi», All. 1) 2.3. Prescrizioni [ ] 3. Al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti, nonché di limitare il surriscaldamento a scala urbana, per le strutture di copertura degli edifici è obbligatoria la verifica dell efficacia, in termini di rapporto costibenefici, dell utilizzo di: a) materiali a elevata riflettanza solare per le coperture (cool roof), assumendo per questi ultimi un valore di riflettanza solare non inferiore a: - 0,65 nel caso di coperture piane; - 0,30 nel caso di copertura a falde; b) tecnologie di climatizzazione passiva (a titolo esemplificativo e non esaustivo: ventilazione, coperture a verde). 34

La normativa in Italia dopo i DD.MM. 26/06/2015 (D.M. 26/06/2015 «Requisiti minimi», All. 1) 2.3. Prescrizioni [ ] 3. Al fine di limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti, nonché di limitare il surriscaldamento a scala urbana, per le strutture di copertura degli edifici è obbligatoria la verifica dell efficacia, in termini di rapporto costibenefici, dell utilizzo di: a) materiali a elevata riflettanza solare per le coperture (cool roof) Tali verifiche e valutazioni devono essere puntualmente documentate nella relazione tecnica di cui al paragrafo 2.2. 35

I cool roof sono obbligatori di fatto (D.M. 26/06/2015 «Relazione tecnica») 36

Durabilità delle prestazioni dei materiali «cool» Nella normativa corrente pare sottinteso che si contemplino solo i valori a nuovo, andando così a trascurare gli effetti dell invecchiamento. 1990 2011 37

Cause dell invecchiamento Degradazione chimico-fisica dei materiali causata dai raggi UV, dal surriscaldamento e dai cicli termici 38

Cause dell invecchiamento Degradazione chimico-fisica dei materiali causata dai raggi UV, dal surriscaldamento e dai cicli termici Sporcamento («soiling») delle superfici dovuto alla deposizione di particolato e altri inquinanti atmosferici 39

Cause dell invecchiamento Degradazione chimico-fisica dei materiali causata dai raggi UV, dal surriscaldamento e dai cicli termici Sporcamento («soiling») delle superfici dovuto alla deposizione di particolato e altri inquinanti atmosferici Formazioni biologiche («biofouling») come batteri, alghe e funghi 40

Durabilità delle prestazioni dei materiali «cool» Le prestazioni dei materiali «cool» sono certificate dal 1998 negli U.S.A. anche dopo invecchiamento 41

California Title 24 2016 Si considerano solo le prestazioni dopo invecchiamento, ottenute tramite: invecchiamento naturale, per almeno 3 anni in 3 diversi siti (del CRRC) Ohio (cold temperate) Arizona (hot dry) Florida (hot humid) 42

California Title 24 2016 Si considerano solo le prestazioni dopo invecchiamento, ottenute tramite: invecchiamento naturale, per almeno 3 anni in 3 diversi siti (del CRRC) stima arbitraria (cautelativa) sol,aged = sol,soil + ( sol,init sol,soil ) ove sol,init sol,aged sol,soil = 0.20 riflettanza solare iniziale (misurata) riflettanza solare dopo invecchiamento (stimata) riflettanza solare di riferimento del suolo coefficiente = 0.65 field-applied coatings = 0.70 altri (not field-applied) 43

Weathering test farm per invecchiamento naturale COFINANZIATA DA Sito EELab per invecchiamento naturale (operativo a Modena da fine 2017) 44 Concentrazione inquinanti

Test farm EELab per invecchiamento naturale Test farm 45

Test farm per invecchiamento naturale COFINANZIATA DA 46

Test farm per invecchiamento naturale COFINANZIATA DA 47

Test facility per invecchiamento «soiling» accelerato ASTM D7897 QUV/spray weathering tester (Q-Lab) Invecchiamento fisico (UV + cicli termoclimatici) 48

Test facility per invecchiamento «soiling» accelerato ASTM D7897 QUV/spray weathering tester (Q-Lab) Invecchiamento fisico (UV + cicli termoclimatici) Invecchiamento chimico (irrorazione con sostanza aggressive) 49

Test facility per invecchiamento «soiling» accelerato ASTM D7897 QUV/spray weathering tester (Q-Lab) Invecchiamento fisico (UV + cicli termoclimatici) Invecchiamento chimico (irrorazione con sostanza aggressive) 50

Test facility per invecchiamento «soiling» accelerato ASTM D7897 QUV/spray weathering tester (Q-Lab) Invecchiamento biologico accelerato: metodi standard non sono ancora disponibili! 51

Test facility per invecchiamento biologico accelerato Apparato sperimentale per biofouling Coltivazione in vitro di microalghe e funghi usando come terreno di coltura la soiling mixture ASTM D7897 Spruzzatura sui campioni Esecuzione di cicli giorno/notte e bagnatura/asciugatura in amb. umido 52

Test facility per invecchiamento biologico accelerato Apparato sperimentale per biofouling Coltivazione in vitro di microalghe e funghi usando come terreno di coltura la soiling mixture ASTM D7897 Spruzzatura sui campioni Esecuzione di cicli giorno/notte e bagnatura/asciugatura in amb. umido 53

Test facility per invecchiamento biologico accelerato Apparato sperimentale per biofouling Coltivazione in vitro di microalghe e funghi usando come terreno di coltura la soiling mixture ASTM D7897 Spruzzatura sui campioni Esecuzione di cicli giorno/notte e bagnatura/asciugatura in amb. umido 54

Analisi termica dinamica e proprietà dei materiali 55

Conclusioni - Le prestazioni dei materiali «cool» andrebbero certificate (da laboratori accreditati ISO/IEC 17025). - Le prestazioni davvero rilevanti sono quelle dopo invecchiamento. - La normativa U.S.A., in particolare quella della California, già contempla questo aspetto e considera le prestazioni solo dopo invecchiamento. - In Italia la normativa per ora pare considerare solo prestazioni iniziali. - Un sito per invecchiamento naturale è stato realizzato da EELab, con il cofinanziamento della Fondazione Cassa di Risparmio di Modena. - Un banco prova per l invecchiamento accelerato di tipo «soiling» secondo metodi standard è già operativo presso EELab. - Un banco prova per l invecchiamento accelerato di tipo «biofouling» è è in avanzato stadio di sviluppo presso EELab. 56

GRAZIE PER L ATTENZIONE! Prof. Ing. Alberto Muscio DIEF Dip. di Ingegneria Enzo Ferrari, Univ. di Modena & Reggio Emilia EELab Energy Efficiency Laboratory (www.eelab.unimore.it) 57