Parte seconda – Involucro evoluto a comportamento dinamico
Capitolo 3 – Individuazione dei fattori interni ed esterni per la definizione di uno schema di analisi e valutazione esigenziale prestazionale
3.3 Condizioni di confort e fabbisogno energetico: parametri e coefficient
Dalle considerazioni fatte finora emerge che ogni parametro (temperatura, irraggiamento, vento, ecc.) produce effetti capaci di modificare gli altri; di conseguenza, per avere una panoramica integrale delle condizioni climatiche complessive di una specifica area, è necessario analizzarli congiuntamente.
A supporto della fase di analisi e valutazione dei parametri messi in campo, si ritiene utile un accenno a concetti di fisica tecnica, anche per un maggiore riscontro della validità scientifica delle ipotesi successivamente formulate.
Di seguito si definiscono, per cenni, alcuni parametri significativi tra i quali: - la resistenza termica R; - la trasmittanza termica U; - il valore g; - il fattore di diminuzione z; - il coefficiente tvis; - l’emissività ε; - lo sfasamento e l’attenuazione.
3.3.1 Resistenza termica R
La resistenza termica di una parete (resistenza alla conduzione) dipende dal materiale e dallo spessore: se lo spessore di una parete viene raddoppiato, anche la resistenza alla conduzione raddoppia. In passato, lo spessore dei muri era dunque il principale per aumentare questa resistenza; lo sviluppo di materiali isolanti permette di migliorare più efficacemente la resistenza alla conduzione in spessore di parete. I materiali isolanti apparsi alla fine del secolo scorso sotto forma di materiali di origine vegetale, sono spesso costituiti da fibre minerali o polimeri (polistirene o poliuretano). La resistenza alla trasmissione di calore di una parete si misura attraverso un coefficiente di resistenza termica R, espresso in m2°C/W.
I dati termici utili possono essere espressi sia sotto forma di conduttività termica utile che di resistenza termica utile.
Se è nota la conduttività termica, la resistenza termica dello strato si determina con la formula:
R=d/, dove d è lo spessore dello strato di materiale nel componente e è la conduttività termica calcolata secondo la normativa ISO/DIS 10456.2 oppure ricavata da valori tabulati, spesso forniti dalle stesse case produttrici il materiale. La
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conducibilità o conduttività termica (in W/m°C) permette di valutare la qualità intrinseca del materiale: può essere considerata come un flusso di calore in watt che attraversa 1m2 di materiale con spessore di 1m, in presenza di una differenza di
temperatura di 1°C tra le due facce del materiale in regime stazionario (si veda paragrafo 4.3).
Si ritiene inoltre utile soffermarsi sulla valutazione della resistenza termica di intercapedine d’aria valutata come da normativa UNI EN ISO 6946:1999. I valori forniti in si applicano ad una intercapedine d’aria quando:
- essa è limitata da due facce effettivamente parallele e perpendicolari alla direzione del flusso termico e con una emissività non minore di 0,8;
- il suo spessore (nella direzione del flusso termico) sia minore del 10% delle altre due dimensioni e comunque minore di 0,3 m;
- non scambino aria con l’ambiente interno13.
Un’intercapedine d’aria non ventilata è quella in cui non vi è una specifica configurazione affinché l’aria possa attraversarla. Le resistenze termiche da utilizzare nei calcoli sono fornite nel prospetto sotto riportato (tab. 3.2). I valori riportati, relativi al flusso termico orizzontale si applicano a flussi inclinati fino a 30° in rapporto al piano orizzontale.
Spessore intercapedine d’aria
mm Senso del flusso termico orizzontale
0 0,00 5 0,11 7 0,13 10 0,15 15 0,17 25 0,18 50 0,18 100 0,18 300 0,18 Nota: I valori intermedi possono essere
ottenuti per interpolazione lineare
13 Se non fosse rispettata una delle condizioni menzionate, si dovrebbe ricorrere al procedimento descritto qui di seguito.
Il termine di intercapedine d’aria include sia lama d’aria (con una larghezza e lunghezza entrambe di dimensioni dieci volte più grandi dello spessore) sia cavità (con lunghezza e larghezza paragonabili allo spessore). Nel primo caso la resistenza termica di un’intercapedine d’aria è data da:
Rg = 1/(ha + hr),
dove Rg è la resistenza termica dell’intercapedine d’aria, ha è il coefficiente di convezione e hr è il coefficiente di irraggiamento.
Per quanto riguarda il flusso termico all’interno dell’intercapedine, ha è il più grande tra i due valori 1,25 W/(m2K) e 0,025/d W/(m2K), dove d è lo spessore dell’intercapedine.
Hr invece è dato da hr = εhro, dove ε è l’emissività tra due superfici e hro è il coefficiente di irraggiamento del corpo nero.
Intercapedine d’aria non ventilata
99 dottorato di ricerca in tecnologia dell’architettura – XXII ciclo Tab. 3.2 - Resistenza termica (in m2K/W) di intercapedini d’aria non ventilate: superfici ad alta emissività. Dal prospetto si evince che la normativa non prevede la valutazione di resistenza termica per intercapedini maggiori di 30 cm, per le quali non è possibile un semplice calcolo della trasmittanza termica. I flussi termici dovrebbero essere determinati preferibilmente con un bilancio termico, secondo quanto previsto dalla normativa ISO/DIS 13789:2005
Prestazione termica degli edifici – Coefficiente di perdita del calore per trasmissione – Metodo di calcolo.
Un’intercapedine d’aria debolmente ventilata è quella nella quale vi è un passaggio d’aria limitato, proveniente dall’ambiente esterno attraverso aperture >500 mm2 ma
1500 mm2 per un metro di lunghezza per intercapedini d’aria verticali.
La resistenza termica utile di un’intercapedine d’aria debolmente ventilata è uguale alla metà del valore corrispondente della tabella. 3.2. Tuttavia, se la resistenza termica tra l’intercapedine d’aria e l’ambiente esterno è maggiore do 0,15 m2K/W,
essa deve essere riportata al valore 0,15 m2k/W.
Un’intercapedine d’aria è fortemente ventilata se le aperture tra l’intercapedine d’aria e l’ambiente esterno sono maggiori di 1500 mm2 per metro di lunghezza delle
intercapedini d’aria verticali. La resistenza termica totale di un componente per l’edilizia, contenente un’intercapedine d’aria fortemente ventilata, si ottiene trascurando la resistenza termica dell’intercapedine d’aria e di tutti gli strati che separano detta intercapedine d’aria dell’ambiente esterno. La normativa prevede che il calcolo della resistenza totale della parete includa una resistenza termica superficiale esterna corrispondente all’aria immobile (vale a dire uguale alla resistenza termica superficiale interna del medesimo componente).
3.3.2 Trasmittanza termica U
La trasmittanza o conduttività termica U indica la quantità di energia/calore che, nelle condizioni di regime stazionario, passa attraverso una parete esterna per un metro quadrato e per un grado di differenza tra le temperature, misurata in W/m2K. Più
basso è il valore U, tanto migliore è l'isolamento.
Perciò la trasmittanza risulta essere uguale a : U = 1/Rt, dove Rt è la resistenza
termica totale di un determinato involucro, dato dalle somme delle resistenze dei singoli componenti, in funzione delle resistenze di scambi superficiali14.
14 “Le resistenze di scambi superficiali (o più semplicemente “resistenze superficiali”) influenzano il coefficiente della trasmittanza U degli elementi di parete. Per esempio, per un vetro di 4 mm (caso tipico), i coefficiente U dovrebbe essere: U=/e=1/0,004=250W/m2°C. Per una piccola serra con una superficie vetrata di 30m2, il coefficiente di dispersione per trasmissione globale dovrebbe essere: HT=U*A=250*30=7500W7°C. L’energia necessaria, a una prima stima, per una differenza massima tra interno ed esterno di 25°C dovrebbe
Intercapedine d’aria debolmente ventilata
Intercapedine d’aria fortemente ventilata
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Per i sistemi costruttivi verticali opachi, i valori standard si aggirano intorno a 0,3 W/m2K, valore facilmente raggiungibile con materiali isolanti standard di spessore
variabile tra 12 e 16 cm. I vetri isolanti di nuova generazione possiedono valori d'isolamento di 1,4 W/m2K; con l'applicazione di materiali di riempimento, si
raggiungono valori di trasmissione termica anche inferiori a 1,1 W/m2K. Nel caso di
pareti traslucide o trasparenti esterne bisogna prendere in considerazione il potenziale di guadagno termico solare poiché questo può avere un impatto sul bilancio energetico totale (vedi paragrafo 4.2 sui fenomeni fisici correlati).
3.3.3 Valore G
II coefficiente di trasmissione di energia solare o fattore solare g indica la percentuale della radiazione solare (di lunghezza d'onda 250-5000 nm, nanometri cioè tra 0,25 e 5 µm, micrometri) trasmessa attraverso pareti esterne trasparenti o traslucide. Tale valore è il risultato della somma della radiazione trasmessa e dell'emissione di calore dalla faccia interna all'interno dell'ambiente. II coefficiente g può essere riferito alla trasmissione globale dell'energia solare (gG) o alla sola
radiazione solare perpendicolare alla superficie su cui incide. Il valore g dato da pannelli isolanti vetrati è di circa 60-80%.
3.3.4 Fattore di diminuzione z
Il fattore di riduzione (fattore z) è relativo ai sistemi di ombreggiamento ed indica la capacità di protezione solare degli stessi valutando la percentuale d'energia radiante
dunque essere uguale a: P=Ht*ΔTmax=7500*27=202500W=203kW, che corrisponde alla potenza di una caldaia per un edificio pubblico o un immobile per appartamenti.
Se fosse così, non ci sarebbe praticamente differenza tra finestre chiuse e finestre aperte, e sarebbe possibile riscaldare le stanze cin molti elementi vetrati senza dispersioni. Allo stesso modo con alcuni muri vecchi poco spessi e tende, considerando soltanto la conduzione attraverso uno spessore, i bisogni energetici ottenuti attraverso il calcolo sarebbero molto elevati e praticamente impossibili da soddisfare. È grazie alle resistenze di scambi superficiali che è possibile riscaldare in maniera razionale l’interno di tali involucri. Infatti una vetrata verticale ha un coefficiente U all’incirca di 6W/m2°C e non di 250W/m2°C, essendo le resistenze di scambi superficiali esterna (Re) ed interna (Ri) in W/m2°C. In questo fenomeno complesso intervengono principalmente l’irraggiamento e la convezione:
- l’irraggiamento avviene attraverso la facciata della parete e la sua intensità dipende dalla temperatura e da altre caratteristiche radiative dell’ambiente, come il colore e la composizione della parete stessa. Questa capacità di irradiare è chiamata emissività. Essa varia al variare delle lunghezze d’onda emesse. In questo modo le superfici metalliche brillanti hanno una debole emissività;
- la convezione è dovuta ai movimenti dell’aria a ridosso della parete; essa aumenta con il vento. La resistenza di scambi superficiali è maggiore quando la superficie irradia poco (bassa emissività) e l’aria è calma.
Un vento forte aumenta le dispersioni di una vetrata di 1/3 rispetto a un clima calmo, quelle di un muro di mattoni di 1/10 e di un muro isolato praticamente mai”.
Faragò, F. (a cura di), Manuale Pratico di Edilizia Sostenibile, Gruppo Editoriale Esselibri – Simone, Napoli, 2008
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che li attraversa. Tale valore dipende dall'esposizione e dall'inclinazione del sistema di schermatura e consente l'immagazzinamento termico di radiazioni solari in un ambiente.
3.3.5 Coefficiente tvis
Questo coefficiente indica la percentuale di luce naturale (lunghezza d'onda 320-780 nm) che attraversa il vetro: solitamente un vetro isolante possiede un fattore di trasmissione standard del 70%. Le escursioni di temperatura esterne giornaliere e stagionali determinano requisiti sempre variabili e spesso in conflitto tra loro ai quali l'involucro esterno deve reagire al fine di mantenere condizioni di benessere all'interno dell'edificio.
3.3.6 Emissività
Si definisce emissività di una superficie il rapporto tra la radiazione emessa dalla superficie e la radiazione emessa dal corpo nero alla stessa temperatura. L'emissività di una superficie si indica con ε, varia tra zero e uno (0 ≤ ε ≤ 1) ed è una misura di quanto una superficie reale approssima un corpo nero per il quale ε = 115.
L'emissività di una superficie reale non è costante ma varia con la temperatura della superficie, con la lunghezza d'onda e con la direzione della radiazione emessa. Generalmente, il livello di assorbimento della radiazione solare delle superfici costruite, che tendenzialmente sono più chiare del contesto in cui sono inserite, è inferiore a quello del terreno vegetato, mentre è superiore la radiazione emessa nel campo dell'infrarosso è elevata anche per materiali tipici dell'edilizia come l'intonaco di calce.
3.3.7 Sfasamento e attenuazione
In merito ai livelli prestazionali di un involucro ottenibili nel periodo estivo, si possono determinare due indicatori quali: lo sfasamento (S), espresso in ore, ed il fattore di attenuazione (fa), coefficiente dimensionale. Il riferimento nazionale per il calcolo dei
15 “Un corpo a temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione in tutte le direzioni in un vasto campo di lunghezze d’onda. Poiché l’energia radiante emessa da una superficie a una data lunghezza d’onda dipende dal materiale del corpo e dalla condizione e temperatura della sua superficie, corpi diversi alla stessa temperatura possono emettere quantità differenti di radiazione per unità di area. Si definisce quindi un corpo ideale, detto corpo nero, che serve come riferimento rispetto al quale confrontare le proprietà radiative delle superfici reali. Un corpo nero è un perfetto emettitore e assorbitore di radiazione poiché emette la massima radiazione per ogni temperatura e lunghezza d’onda e assorbe tutta la radiazione incidente indipendentemente da direzione e lunghezza d ‘onda”.
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predetti indicatori è la norma tecnica UNI EN ISO 13786:2001, dove i predetti parametri rispondono rispettivamente alle seguenti definizioni:
a) fattore di attenuazione o fattore di decremento è il rapporto tra il modulo della trasmittanza termica dinamica e la trasmittanza termica in condizioni stazionarie; in questo caso è importante riuscire a controllare gli apporti termici solari attraverso la riduzione dell’assorbimento energetico delle superfici esposte alla radiazione solare; b) sfasamento è il ritardo temporale tra il massimo del flusso termico entrante nell’ambiente interno ed il massimo della temperatura dell’ambiente esterno. Sulla base dei valori assunti da tali parametri si definisce la classificazione riportata nella tabella 3.1616.