Carico termico invernale di un edificio e la verifica dell isolamento termico
Fissate le condizioni di temperatura interne ed esterne poiché la temperatura interna Ti, durante il periodo invernale, viene mantenuta al di sopra di quella esterna Te vi sarà una potenza termica che si sposterà dall interno verso l esterno, attraversando tutti i componenti edilizi di confine.
Dispersioni termiche L entità di tale potenza termica dispersa dipenderà ovviamente dalle caratteristiche dei materiali che costituiscono le pareti perimetrali e quindi dal loro progetto. A parità di temperature interna ed esterna e quindi di differenza di temperatura, le dispersioni termiche verso l esterno dipenderanno dalla trasmittanza unitaria K
Dispersioni termiche Per valutare il carico termico di un edificio occorre quindi stimare le caratteristiche termofisiche dell involucro: - Pareti di tamponamento opache che delimitano lo spazio confinato - Serramenti esterni (vetri, telai, orientamento, presenza di sistemi di oscuramento esterni ed interni) - Strutture di tamponamento orizzontali (coperture, solette su cantinati,, ecc.) Nel calcolo dovranno essere considerate le seguenti dispersioni di calore: - Trasmissione attraverso le strutture verso l esterno (pareti opache e trasparenti) - Trasmissione attraverso le strutture verso gli ambienti non riscaldati o con temperature diverse da quelle dell ambiente considerato - Ponti termici - Ventilazione dei locali
Bilancio Si vuole ora esaminare questo problema alla luce delle conoscenze già acquisite sui bilanci di energia su sistemi chiusi. Si supponga di partire da una condizione iniziale nella quale sono assegnate la temperatura interna T i, e quella esterna T e. La temperatura esterna Te si ipotizza costante qualunque sia lo scambio termico con l edificio. L aria interna invece può essere vista come la massa di controllo di un sistema chiuso delimitato, ad esempio, dalle superfici interne delle pareti perimetrali dell edificio, indicate dal tratteggio nella Figura.
Se si applica il bilancio di energia su tale sistema, facendo riferimento ad un intervallo di tempo θ, si ha:
Essendo il sistema costituito da aria che può essere considerata un gas ideale, la sua energia interna sarà proporzionale alla temperatura e quindi risulterà
Di conseguenza il T sarà negativo: Alla fine dell intervallo di tempo θ, la temperatura all interno, T i2, risulterà più bassa di quella iniziale T i. Se non s interviene immettendo con continuità la potenza termica che si disperde verso l esterno, questo raffreddamento continuerà fin quando la temperatura l aria interna non avrà raggiunto il valore di quella esterna.
Consideriamo un sistema che fornisce all ambiente la potenza termica che quindi compensa le dispersioni dell ambiente verso l esterno Se con un impianto si fornisce all ambiente interno una potenza termica pari a quella che viene dispersa verso l esterno, è possibile mantenere la temperatura interna costante, anche in presenza, come accade durante il periodo invernale, di una temperatura esterna più bassa.
Il bilancio si modifica:
L ambiente viene così mantenuto a temperatura costante, poiché sono compensate, istante per istante, le dispersioni di calore verso l esterno. Il sistema che fornisce all ambiente interno la potenza termica richiesta è l impianto di riscaldamento. La potenza termica Q che deve essere fornita per mantenere l ambiente confinato ad una prefissata temperatura interna di progetto, si definisce carico termico invernale dell edificio. E chiaro che, per uno stesso edificio, al variare della temperatura esterna, a parità di temperatura interna di progetto varierà il carico termico. Per tale motivo è necessario fissare anche la temperatura esterna di progetto. E anche evidente che, avendo fissate le temperature di progetto, che restano quindi costanti nel tempo, la condizione di calcolo si riconduce a quella di regime stazionario.
Bilancio energetico Il carico termico invernale di un edificio viene calcolato effettuando un bilancio di energia termica nelle condizioni di progetto per i vari ambienti che costituiscono l edificio. Il bilancio viene effettuato nell unità di tempo: i termini in gioco sono quindi potenze termiche. Nelle condizioni di progetto sono fissati i seguenti parametri: a) temperatura dell aria all interno ed all esterno dell edificio; b) umidità relativa dell aria all interno ed all esterno interna; c) numero di ricambi d aria; d) proprietà termofisiche dei materiali che costituiscono o costituranno l involucro edilizio; e) eventuali apporti di energia termica, gratuiti.
I valori delle temperature interna ed esterna di progetto sono fissati dalla normativa, in particolare: temperatura interna Ti ( C) - Ti = 20 C + 2 C di tolleranza per tutti gli ambienti degli edifici, con esclusione di quelli adibiti ad attività industriali ed artigianali o ad utenze particolari, quali piscine, camere operatorie, ecc.; La temperatura esterna Te ( C) dipende dalla zona
Il carico termico invernale rappresenta, come detto, la potenza termica che l impianto deve fornire agli ambienti dell edificio per assicurare il mantenimento della temperatura interna di progetto. In tali condizioni, deve sempre risultare: in cui: Qu rappresenta la potenza termica uscente dagli ambienti; Qe rappresenta la potenza termica entrante, ossia quella che l impianto deve cedere agli ambienti per bilanciare la potenza termica uscente.
La potenza termica uscente Qu risulta complessivamente costituita dai seguenti termini: in cui: Q (W) è la potenza termica in uscita per trasmissione attraverso gli elementi edilizi che separano dall esterno le aree riscaldate dell edificio (pareti verticali ed orizzontali, solai di copertura e calpestio in contatto con l aria esterna); Q 2 (W) è la potenza termica in uscita per trasmissione attraverso gli elementi edilizi che separano le aree riscaldate dagli ambienti non riscaldati (pareti verticali ed orizzontali, solai di copertura e calpestio in contatto con l aria esterna presente in ambienti non riscaldati); Q 3 (W) è la potenza termica in uscita per trasmissione attraverso i ponti termici; Q 4 (W) è la potenza termica dispersa per ventilazione.
Q È la potenza termica dispersa attraverso gli elementi di involucro verso l esterno Essa è data da: dispersione attraverso gli elementi opachi, sia orizzontali che verticali (pareti, solai di copertura, solette ecc.) Q T, op dispersione attraverso gli elementi trasparenti, sia orizzontali che verticali (serramenti) Q T, w dispersione verso il terreno adiacente attraverso i pavimenti Q T, terreno
Potenza termica dispersa per trasmissione Distinguiamo pertanto i seguenti meccanismi di trasmissione: - verso l esterno l e il terreno - verso gli ambienti non riscaldati o con temperature differenti da quelle dell ambiente considerato & & & + Q = QT, opache+ QT, w QT, terreno & attraverso: - Strutture opache: pareti, solai (Q T,op ). - Superfici trasparenti: serramenti (Q T,w ). - Terreno (Q T,terr ) Q & 2 = potenza dispersa verso i locali adiacenti non riscaldati
Essendo & & & + Q = QT, opache + QT, w QT, terreno & e Q & 2 = potenza dispersa verso i locali adiacenti non riscaldati & = Q& + Q& 2 Q T
Potenza termica dispersa per trasmissione attraverso tutti i componenti opachi Q T,opache = n i= Q T, op, i in cui: - n è il numero di superfici opache e trasparenti che delimitano dall esterno la zona riscaldata; - Q T,op i è la potenza termica dispersa per trasmissione attraverso la generica superficie opaca di area Ai. A sua volta la Q T,op,i, in condizioni di regime stazionario è pari a: Q T, op, i = K i A i ( T T ) f i e i
Il calcolo della trasmittanza termica unitaria K per componenti opachi viene effettuato per scambio termico per meccanismi combinati. La relazione utilizzata è:... + + + + + + = e a n n i h C C s s h K λ λ
K = h i s + +... + λ λ sn n + C + C a + h e /hi è la resistenza termica all adduzione adduzione in cui hi è il coefficiente di adduzione sulla superficie interna della struttura ra misurata in [W/m² K] sj/λj è la resistenza termica di uno o più strati di materiale omogeneo in cui s è lo spessore dello strato misurato in m e l è la conduttività termica del materiale in [W/m K]. /C è la resistenza termica di strati di materiale non omogeneo in cui C è la conduttanza dello strato espressa in [W/m²K] /Ca è la resistenza termica di eventuali intercapedini d'aria, in cui Ca è la conduttanza dell'intercapedine espressa in [W/m²K] /he è la resistenza termica all adduzione adduzione e he è il coefficiente di ad-duzione duzione sulla faccia esterna della parete misurata in [W/m²K].
Potenza termica dispersa per trasmissione attraverso tutti i componenti vetrati Con riferimento alle dispersioni termiche attraverso le strutture trasparenti, la trasmittanza termica di un componente edilizio finestrato costituito dal serramento e dal vetro, è data dalla relazione: K s = A v K A v v + + A K A t t t dove: Kv trasmittanza termica dell elemento elemento vetrato (W/m 2 K) Av l area dell elemento elemento vetrato (m 2 ) Kt la trasmittanza termica del telaio (W/m 2 K) At l area del telaio (m 2 ).
La trasmittanza termica di un componente trasparente, sia esso vetro singolo che multiplo, è data da n n s i K v = + + dirsi + he i= λi j= hi dove: /he Re,, la resistenza termica superficiale esterna (m/k W) li conduttività della lastra di vetro ( W/m K) si spessore della lastra di vetro (m) d*rs,i resistenza termica dello strato racchiuso tra le due lastre (m/k W) /hi la resistenza termica superficiale interna (m/k W) n numero di lastre costituenti il componente trasparente. h e = 25 h = 3 6 + 4 4 ε,, i 0, 837 ε è l emissività termica del componente trasparente (per vetri normali il valore di ε è pari a 0,837).
Nella tabella seguente sono riportati i valori della resistenza termica di intercapedini d aria d Rs in funzione della emissività delle superfici e degli spessori. Spessore intercapedine Emissività ε (mm) 0,2 0,4 0,8 Sup. non trattata 6 0,9 0,6 0,3 0,3 9 0,26 0,2 0,6 0,5 2 0,32 0,25 0,8 0,7 5 0,36 0,28 0,20 0,9 50 0,34 0,26 0,9 0,8 00 0,3 0,25 0,8 0,7
Il calcolo della trasmittanza unitaria del telaio Kt risulta abbastanza laborioso, in relazione alla complessità delle configurazioni e al numero delle tipologie dei serramenti Materiale del telaio Caratteristiche telaio K t (W/m 2 K) Legno larghezza media telaio 30 mm larghezza media telaio 50 mm larghezza media telaio 00 2,20,90,42 mm Metallo senza taglio termico 7,0 Metallo con taglio termico 3, - 3,7 Poliuretano con anima di metallo 2,6 Poliuretano con una camera d aria 2,4 PVC - profilo vuoto con due camere 2,0 PVC - profilo vuoto con tre camere,8
La presenza di tapparelle o di schermi esterni abbassati riduce la trasmittanza termica del serramento che può essere calcolata dalla seguente relazione: K t, s = K s + R = R t, s = K s + R dove: Kt,s trasmittanza termica del serramento con tapparella abbassata (W/m2 K) Ks trasmittanza termica del serramento base (W/m2 K) R resistenza termica aggiuntiva
Tipo di tapparella R [m 2 K/W] bassa permeabilità all aria media permeabilità all aria alta permeabilità all aria Alluminio 0,5 0,2 0,09 Legno e plastica senza 0,22 0,6 0,2 schiuma Legno e plastica con schiuma 0,26 0,9 0,3 Legno (da 25 a 30 mm) 0,30 0,22 0,4 Valori di massima per Ks
Q T, terreno In base alla normativa, la potenza termica dispersa per trasmissione verso il terreno è calcolata in modo differente a seconda che si tratti di pareti addossate al terreno o di pavimenti poggiati sul terreno. Pareti addossate al terreno La potenza termica dispersa per trasmissione attraverso ciascuna parete è proporzionale alla differenza tra la temperature di progetto interna ed esterna, secondo la relazione Q T, terreno = K A T ( T ) i e
Q T, terreno = K A T ( T ) i e A è l area della parte interrata della parete [m 2 ]; K è una trasmittanza termica unitaria fittizia [W/m 2 K], valutata secondo la relazione K = K in cui: - K è la trasmittanza termica unitaria della parete, [W/m 2 K]; - h è la profondità della parte interrata [m]; -λ è la conduttività del terreno umido, posta pari a circa 2,9 [W/mK]. + h λ'
Pavimenti posati sul terreno La potenza termica dispersa per trasmissione attraverso pavimenti posati sul terreno è somma di due aliquote: - una verso l ambiente esterno - l altra verso il sottosuolo. Le dispersioni verso l ambiente esterno sono proporzionali alla differenza di temperatura (Ti Te) ed interessano una striscia di pavimento adiacente ai muri esterni (se il pavimento è alla quota del terreno circostante) o ai muri interrati (se si tratta del pavimento di un locale parzialmente o totalmente interrato). Detta P la lunghezza in metri dei suddetti muri, misurata all interno del locale, la potenza termica dispersa verso l ambiente esterno vale: Q& T, terr = P (2 - h) K (T i - T e )
Potenza termica dispersa verso l ambiente esterno Q& = P (2 - h) K T, terr in cui: h è la profondità del pavimento rispetto al terreno circostante, m; K è la trasmittanza termica unitaria fittizia valutata come: K = K h + λ' (T dove: - K è la trasmittanza termica unitaria del pavimento [W/m 2 K]; -λ è la conduttività del terreno umido, posta pari a circa 2,9 [W/mK] i - T e )
Potenza termica dispersa verso il sottosuolo L aliquota di potenza termica dispersa dal pavimento verso il sottosuolo è proporzionale alla differenza tra temperatura Ti della zona riscaldata e la temperatura dell acqua delle falde superficiali (0 5 C); La superficie interessata è in questo caso l intera superficie del pavimento, quale che sia la sua quota rispetto al terreno circostante. Detta K la trasmittanza termica unitaria del pavimento e C la conduttanza termica unitaria del terreno, si usa la seguente trasmittanza termica unitaria fittizia K : K = K Q& + C = K A( T T T, terr2 i falda ) In condizioni di regime stazionario un valore accettabile di C è compreso tra,2 e 2,3 W/m 2 K
Potenza termica dispersa per trasmissione attraverso gli elementi edilizi che separano le aree riscaldate dagli ambienti non riscaldati La potenza termica dispersa verso ciascun ambiente non riscaldato è pari a: Q& = K( T T 2 i a, nonrisc ) in cui: - K è la trasmittanza unitaria della parete tra la zona riscaldata e quella non riscaldata [W/m 2 K]; - A è l area della parete tra la zona riscaldata e quella non riscaldata, (m2 ); - Ti è la temperatura della zona riscaldata, ( C); - T a, nonrisc è la temperatura della zona non riscaldata, ( C)
D escr iz io n e d ei lo cali T em p. C or re z io n e d a a p p o rta r e ( C ) s e t i 2 0 C se t e -5 C C a n tin e c o n se rra m en ti a p e rti -2 (t i - 2 0 ). 0, ( t e + 5 ). 0,9 C a n tin e c o n se rra m en ti c h iu si 5 (t i - 2 0 ). 0,4 ( t e + 5 ). 0,6 S o tto tetti n o n p l afo n at i c o n teg o le n o n e ster n a sig il lat e S o tto tetti n o n pl af o n ati co n teg o le b e n -2 (t i - 2 0 ). 0, ( t e + 5 ). 0,9 sig il lat e S o tto tetti p la fo na ti 0 (t i - 2 0 ). 0,2 ( t e + 5 ). 0,8 L o cali co n 3 p ar et i e st er n e pr o v v iste d i 0 (t i - 2 0 ). 0,2 ( t e + 5 ). 0,8 fin estre L o cali co n 3 p ar et i e st ern e d i cu i c o n 5 (t i - 2 0 ). 0,4 ( t e + 5 ). 0,6 fin estra o c o n 2 p a r e ti ester ne en tr am b e c o n f in e str e L o cali c o n 3 p ar eti es te r n e se n z a 0 (t i - 2 0 ). 0,5 ( t e + 5 ). 0,5 fin estre L o cali c o n 2 p ar eti es te r n e se n z a 2 (t i - 2 0 ). 0,6 ( t e + 5 ). 0,4 fin estre L o cali co n p ar et e e st er n a p r o v v i sta d i 3 (t i - 2 0 ). 0,6 ( t e + 5 ). 0,4 fin estre L o cali co n p are te e stern a se n z a 5 (t i - 2 0 ). 0,7 ( t e + 5 ). 0,3 fin estre A p pa rt am e n ti a tt igu i n o n r is ca ld a ti: so tto t ett o 2 (t i - 2 0 ). 0,3 ( t e + 5 ). 0,7 ai pian i in te rm ed i 7 (t i - 2 0 ). 0,5 ( t e + 5 ). 0,5 al pian o p iù b a s so 5 (t i - 2 0 ). 0,4 ( t e + 5 ). 0,6 G a b b ie s ca la c o n p are te e st er n a e fin estre a d o gn i p ian o; p o rta d in g re sso a l p ia no terr a c hi u sa: al pian o terr a 2 (t i - 2 0 ). 0,3 ( t e + 5 ). 0,7 ai pian i so v r asta nt i 7 (t i - 2 0 ). 0,5 ( t e + 5 ). 0,5 A i p ian i so v ra sta nt i c on p or ta a p e rt a al pian o terr a -2 (t i - 2 0 ). 0,5 ( t e + 5 ). 0,9 ai pian i so v r asta nt i 2 (t i - 2 0 ). 0,3 ( t e + 5 ). 0,7
Q 3 (W) è la potenza termica in uscita per trasmissione attraverso i ponti termici. L'involucro degli edifici non è costituito solo da pareti piane in cui lo scambio termico si può ipotizzare per semplicità di calcolo, oltre che in condizioni di regime stazionario, anche in condizioni di flusso monodimensionale; esistono anche zone anomale della struttura in cui sicuramente il flusso non è ipotizzabile come monodimensionale, bensì bidimensionale o tridimensionale. In corrispondenza di queste zone (pilastri, spigoli, ecc.) lo scambio termico risulta maggiore rispetto alla condizione di flusso monodimensionale; per questo motivo tali zone vengono definite ponti termici.
Ponti termici È importante precisare che generalmente le dispersioni attraverso i ponti termici corrisponde a circa il 0 20% della potenza termica dispersa per trasmissione attraverso componenti opachi e trasparenti, in funzione del minore o maggiore isolamento dell involucro edilizio. E possibile pertanto con procedimento più rapido calcolare la potenza termica dispersa attraverso i ponti termici come percentuale di Q e Q2. Si tratta ovviamente di una procedura approssimata, quindi non in ottemperanza alla norma vigente. In realtà i valori ottenuti con questo criterio sono sufficientemente vicini a quelli reali e quindi soddisfacenti per la valutazione del carico termico. Il problema non va invece sottovalutato per quel che riguarda il danno che può prodursi nelle zone di ponte termico in conseguenza della ridotta resistenza termica di questo elemento edilizio in relazione a quelli circostanti (es. i fenomeni di condensa del vapor d acqua)
Ponti termici In generale si ha un ponte termico in corrispondenza di un nodo tra elementi aventi coefficienti di trasmissione diversi e più precisamente: - nelle zone d'angolo tra due pareti esterne; - quando entro una struttura sono inseriti elementi strutturali a più alta conduttività termica; - tra muro esterno e pavimento; - in corrispondenza di serramenti. I ponti termici sono causa di due effetti importanti: - diminuzione della temperatura superficiale interna in corrispondenza della discontinuità; - aumento del flusso termico.
PONTE TERMICO DI FORMA PONTE TERMICO DI STRUTTURA
G IU NT O FR A DU E M UR I D A N GO L O S oluzio ne erra ta S oluzione c orretta S o luzione c orretta P A RE T E IS O L AT A CO N PILA ST R O S oluzio ne erra ta S oluzione c orretta S o luzione c orretta G IU NT O M UR O ES T E RN O M UR O INT E R NO S oluzio ne erra ta S oluzione c orretta S o luzione c orretta
MENSOLA SPORGENTE Soluzione errata Soluzione corretta Soluzione corretta GIUNTO MURO SERRAMENTO Soluzione errata Soluzione corretta Soluzione corretta