4.1.3 Tipologie di facciata
4.2 Fenomeni fisici correlat
4.2.2 Convezione naturale in uno spazio confinato
Considerando ancora un corpo caldo lasciato su una superficie fredda, questo si raffredda fino a raggiungere la temperatura dell’aria circostante. Il corpo si raffredda per effetto della trasmissione di calore per convezione all’aria e per irraggiamento verso le superfici circostanti.
Poiché l’aria a contatto con il corpo è a temperatura più elevata, la sua densità sarà più bassa9. Si ha quindi che un gas leggero (cioè a bassa densità) è circondato da
uno pesante (cioè a più alta densità), per cui il gas leggero sale per effetto di una
9 A pressione costante la densità di un gas è inversamente proporzionale alla sua temperatura.
Figura 4.22 Un corpo caldo in un contenitore vuoto scambia calore solo per irraggiamento.
Figura 4.23 Schema di cavità a due superfici
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legge naturale. L'aria calda sale e lo spazio così liberato è occupato da aria più fredda, che venendo a contatto con il corpo caldo ne accelera il processo di raf- freddamento. La salita di aria più calda e il riflusso di aria più fredda continuano fino a quando il corpo non si è raffreddato, vale a dire ha raggiunto la temperatura dell’aria ambiente. Il movimento risultante dalla continua sostituzione dell'aria riscaldata in prossimità del corpo con aria più fredda è detto corrente di convezione naturale, mentre la trasmissione di calore per effetto di questa corrente di convezione naturale è chiamata trasmissione termica per convezione naturale. In assenza di correnti di convezione naturale, la trasmissione del calore dal corpo all'aria circostante avverrebbe per sola conduzione e la potenza termica scambiata sarebbe molto minore. La convezione naturale ha luogo sia nel riscaldamento di superfici fredde in un ambiente più caldo, sia nel raffreddamento di superfici calde in un ambiente più freddo le direzioni del moto del fluido nei due casi sono opposte. La trasmissione di calore per convezione naturale su una superficie dipende dalla geometria della superficie e dal suo orientamento. Essa dipende pure dalla variazione di temperatura sulla superficie e dalle proprietà termo-fisiche dell’aria. I profili di temperatura e di velocità nel caso di convezione naturale su una superficie verticale calda, a contatto con l’aria in quiete, sono riportati in figura 4.24. Lo spessore dello strato limite aumenta nella direzione del flusso, mentre la velocità dell’aria è nulla sia a contatto con la superficie che sul bordo esterno dello strato limite di velocità, in quanto il fluido fuori dallo strato limite è in quiete. Quindi, la velocità del fluido aumenta con la distanza dalla superficie, raggiunge un massimo e gradualmente diminuisce fino a zero a una distanza sufficientemente lontana dalla superficie stessa.
Pur essendo ben noto il fenomeno della convezione naturale, la complessità del moto dell’aria rende molto difficile ottenere relazioni analitiche semplici per la trasmissione del calore risolvendo le equazioni del moto e dell'energia. Per la convezione naturale esistono alcune soluzioni analitiche, che però mancano di generalità, perché ottenute per geometrie semplici sotto certe ipotesi semplificative. Con l'eccezione di pochi casi semplici, le relazioni di scambio termico in convezione naturale sono dunque basate su studi sperimentali10.
Lo studio della trasmissione del calore in uno spazio confinato, come potrebbe essere un intercapedine di aria, è uno dei casi complessi a cui si è appena accennato, poiché l’aria di solito non rimane completamente ferma: l’aria adiacente alla parete più calda sale, mentre il fluido adiacente alla parete più fredda scende,
10 Per una trattazione più dettagliata si rimanda il capitolo 6.
Figura 4.24 Profili tipici di velocità e di temperatura per flusso di convezione naturale su una piastra calda verticale a temperatura Ts in un fluido a temperatura tinfito.
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dando luogo ad un moto convettivo e che aumenta lo scambio termico attraverso l’intercapedine.
La potenza termica trasmessa attraverso uno strato di spessore δ, area superficiale A e conducibilità termica λ è
Qcond = λA T1-T2
δ
dove T1 e T2 sono le temperature sulle superfici esterne delle due pelli che
costituiscono l’involucro.
Il comportamento delle intercapedini d’aria è termodinamicamente importante: elemento fondamentale dell’intercapedine è lo spessore poiché da esso dipende la possibilità di avere convezione dell’aria interna o non. Di seguito sono riportati nel dettaglio questi due casi.
Intercapedine d’aria con convezione interna
Quando l’intercapedine supera i 2 cm di spessore si può avere convezione termica dell’aria interna. Il calore viene quindi trasmesso sia per convezione dell’aria all’interno dell’intercapedine che per irraggiamento fra le facce contrapposte degli strati che la determinano ed essendo un collegamento in parallelo (sono eguali le temperature della facce esterne dell’intercapedine, T11 e T12) si ha:
1/RI = 1/hr + 1/hc
dove
RI resistenza termica dell’intercapedine, (m²K/W),
hr coefficiente di irraggiamento fra le facce esterne dell’intercapedine, (W/m²K),
hc coefficiente di convezione dell’aria fra le facce esterne dell’intercapedine,
(W/m²K).
La difficoltà di conoscere hc a causa della complessità del fenomeno convettivo (verso l’alto, verso il basso, pareti verticali, pareti orizzontali, parete inclinate, ecc.) consigliano di calcolare RI sperimentalmente per le varie situazioni possibili. I
manuali specializzati riportano i valori ricorrenti nelle applicazioni, in questa sede vengono riportati soltanto alcuni casi (vedi tabella 1).
Intercapedine d’aria senza convezione termica
In questo caso, con spessori limitati entro i 2 cm, si ha solo conduzione termica attraverso l’aria nell’intercapedine e pertanto, sempre con riferimento ad un collegamento in parallelo, si ha:
1/RI = 1/hr + sI/λaI
ove si ha:
RI resistenza termica dell’intercapedine, (m²K/W),
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sI spessore dell’intercapedine d’aria, (m),
λaI conducibilità termica dell’aria nell’intercapedine, (W/mK).
Si osserva che il coefficiente di conducibilità dell’aria è molto basso (λ = 0.024 W/mK) e pertanto il termine conduttivo è molto piccolo.
L’uso delle intercapedini d’aria non convettive (cioè con spessori piccoli) deriva proprio dal fatto che esse introducono una elevata resistenza termica e quindi rendono più isolante la parete esterna.
Nella seguente tabella si hanno alcuni valori di RI calcolati per varie situazioni pratiche di intercapedini d’aria.
4.2.3 Effetto serra
Una superficie vetrata a contatto con la radiazione solare diretta, crea un innalzamento della temperatura all'interno, comportandosi come una trappola di calore. La spiegazione di questo fenomeno sta nell'andamento della curva del coefficiente di trasmissione del vetro, che somiglia ad una U rovesciata.
Il vetro, con gli spessori che ha nella pratica, trasmette il 90% della radiazione nel campo visibile e risulta praticamente opaco (non trasparente) alla radiazione nella regione infrarossa dello spettro elettromagnetico (circa λ> 3µm). Poiché, a temperatura ambiente, tutta la radiazione emessa dalle superfici cade nella regione infrarossa, si verifica che il vetro permette alla radiazione solare di entrare e impedisce alla radiazione infrarossa di uscire, causando quindi, un aumento della temperatura interna legato all'aumento di energia contenuta accumulata all’interno dell’ambiente. Questo fenomeno di riscaldamento, dovuto alle caratteristiche del vetro (o di plastiche trasparenti), è noto come effetto serra, perché viene sfruttato
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soprattutto nelle serre. L’effetto serra è definito perciò come la capacità del vetro di trattenere calore.
I principi fondamentali su cui si basano le strategie passive per il riscaldamento solare sono sostanzialmente legati all'utilizzo dell'irraggiamento solare, all'accumulo e all'immagazzinamento del calore e alla sua distribuzione. L'irraggiamento solare può essere sfruttato, in genere, in due modi diversi: attraverso l'accumulo diretto di calore o attraverso quello indiretto. L'impiego di superfici vetrate esposte all'irraggiamento solare è un fattore chiave per lo sfruttamento della radiazione termica solare.
Per quanto riguarda le tecniche di accumulo passivo, le tecnologie che offrono le maggiori potenzialità dal punto di vista prestazionale e di adattabilità relativamente all'integrazione architettonica, sono l'introduzione di serre solari11 oppure
l'applicazione dei TIM (Transparent Insulation Materials)12.
L disciplina normativa regionale ha recentemente rivisto le specifiche disposizioni riferite alle serre solari: tali strutture generalmente, vengono agevolate con riduzione degli oneri accessori oppure non conteggiando il volume occupato.
Le serre e le strutture di forma analoga per spazi vetrati chiusi, componenti formali del fabbricato, nell'ambito degli edifici a uso residenziale, contribuiscono all'illuminazione naturale e possono concorrere al risparmio energetico. Queste, pertanto, si configurano come elementi importanti per una progettazione coerente con i criteri della sostenibilità. Nonostante ciò, risulta ancora assente una disciplina omogenea di livello nazionale.
I Regolamenti edilizi comunali, infatti, considerano le serre solari come volumi tecnici, escludendole come tali dal computo della superficie o del volume. In quanto
11 Per serre solari si intendono gli spazi ottenuti mediante l’impiego di chiusure vetrate trasparenti di logge o terrazze, quando detti spazi chiusi siano unicamente finalizzati al risparmio energetico e siano conformi alle specifiche prescrizioni per esse dettate dalla normativa locale.
12 “Le serre possono essere costruite esternamente all'edificio, creando un volume aggiunto,
oppure all'interno del perimetro, ad esempio ricavate su balconi già esistenti: la serra si configura perciò come un’ottima opportunità nella riqualificazione di edifici esistenti, costituendo un sistema flessibile a guadagno diretto o indiretto (una sorta di intercapedine vetrata di grandi dimensioni) e isolato (utilizzando i moti convettivi dell'aria calda). A seconda delle diverse caratteristiche dell'edificio da riqualificare si aggiungeranno masse di accumulo (nel caso in cui le pareti perimetrali dell'edificio non siano abbastanza massicce per poter funzionare come accumulatori) e aperture per l'innesco dei fenomeni di convezione naturale. L'utilizzo di materiali isolanti trasparenti (TIM) offre buone potenzialità dal punto di vista della riqualificazione energetica ed architettonica dell'involucro di facciata, riassumendo in sé il concetto sia di conservazione che di guadagno energetico. Come materiale isolante, infatti, migliora le prestazioni conservative dell'involucro mentre come materiale trasparente ne migliora le caratteristiche legate all'accumulo della radiazione solare. I TIM possono essere utilizzati sia in sovrapposizione ad elementi di parete opaca che in corrispondenza delle bucature, evitando così interventi di tipo “pesante” sulle strutture.” Cammarata G., Impianti termotecnici – Volume I, Università degli Studi di Catania, Catania, 2009.
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volumi tecnici, la loro realizzazione è solitamente possibile in ogni parte del territorio comunale, nel rispetto delle norme dei PSC.
Le serre si configurano come locali nuovi non riscaldati o comunque locali in cui non vi è presenza continuativa di persone e con orientamento principale rivolto a sud. La struttura di chiusura delle serre deve essere completamente trasparente,fatto salvo l'ingombro della struttura di supporto; inoltre deve essere apribile ed ombreggiabile per evitare il surriscaldamento estivo.
4.2.4 Effetto camino
L’effetto camino è quel fenomeno che comunemente si manifesta nel caso di condotti verticali che collegano un focolaio di combustione con l'atmosfera, al fine di consentire l'allontanamento dei fumi. La fig. 4.25 rappresenta lo schema di un camino che pone in comunicazione la camera di combustione con l'atmosfera, ad un'altezza H rispetto alla mezzeria della bocca di ingresso.
Riportando la questioni in ambito architettonico, il camino si può definire come un sistema aperto, delimitato dalle sezioni S1 ed S2 uguali; inoltre, poiché la tendenza
dell’aria a salire lungo il camino per tiraggio naturale è tanto più forte quanto più è elevato il valore della sua temperatura, quindi l'isolamento termico delle pareti, in prima approssimazione ma non necessariamente, si può ipotizzare che l’aria percorra il camino a temperatura Tf costante: poiché le variazioni di pressione sono
in genere molto modeste, si può quindi considerare la densità del fluido costante. Introducendo le ulteriori ipotesi semplificative di considerare il camino a sezione costante, come assai spesso avviene, ed assumendo la resistenza dell’aria come costante R, la velocità media assume lo stesso valore in qualsiasi punto del percorso verticale ed è esprimibile in funzione della portata in volume dei fumi Qf e della
sezione A del camino, mentre le densità interna ed esterna sono inversamente proporzionali ai valori di temperatura rispettivamente Tf e Te: conoscendo questi
parametri è possibile progettare l'altezza di un camino, o la sua sezione se l'altezza è determinata da altre esigenze, in funzione della portata dell’aria a sua volta determinata dai valori assunti dalla temperatura dell’aria di intercapedine e da quella esterna. Tale relazione fornisce la spiegazione ad esempio, del fatto che, quando un’intercapedine è dimensionata al limite, nelle mezze stagioni comincia a funzionare bene solo quando l’intercapedine stessa si è adeguatamente scaldata.
Il problema si complica notevolmente se si desidera tenere conto del fatto che l’aria, salendo lungo il camino, si raffredda in quanto avviene cessione di calore attraverso la parete del camino stesso; il problema si risolve, almeno formalmente, suddividendo il camino in tanti tratti verticali, per ciascuno di quali deve essere
Figura 4.25 Rappresentazione schematica di un camino a sezione costante.
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impostata e risolta un'equazione basata sul bilancio energetico del sistema aperto, introducendo perciò sistemi di compartimentazione dell’aria o involucri a singoli elementi. Altro elemento che contribuisce all’effetto camino è il riscaldamento dell’aria di intercapedine dovuta all’effetto serra.