Igroscopia in regime variabile (UNI EN 15026)

Per superare i limiti del modello di Glaser è possibile studiare il fenomeno dell’umidità nelle strutture in regime variabile in accordo con la norma di riferimento UNI EN 15026 “Prestazione termoigrometrica dei componenti e degli elementi di edificio, valutazione del trasferimento di umidità mediante una simulazione numerica” che nasce per poter affrontare le seguenti problematiche:

 fenomeni di condensazione interstiziale in regime variabile;

 influenza dell’irraggiamento sulla migrazione del vapore;

 influenza della pioggia sulla migrazione del vapore ;

 fenomeni legati all’asciugatura delle strutture;

 comportamento dell’utenza.

Tra le varie casistiche di intervento di isolamento termico che possono necessitare un’analisi in regime variabile in quanto le ipotesi del modello di Glaser non sono più accettabili si evidenzia ad esempio il caso di intervento su strutture opache verticali, come affronteremo in seguito in questa tesi.

In particolare, la situazione peggiore si riscontra in interventi di isolamento dall’interno, in cui la presenza di condensazione interstiziale risulta in elevata quantità secondo il calcolo predittivo della UNI EN ISO 13788 (metodo di Glaser), ma non confermata dall’esperienza in opera.

Inoltre un modello di tipo dinamico permette uno studio più accurato riguardo la presenza di problemi legati all’umidità di cantiere intrappolata nei materiali e la sua interazione con eventuali barriere e freni al vapore registrata in opera, questo calcolo non sarebbe altrimenti previsto dalla precedente Norma.

Le due immagini sotto riportate riassumono le differenze tra il regime stazionario del modello di Glaser e quello variabile della UNI EN 15026: i serbatoi rappresentano la quantità di vapore acqueo presente nell’ambiente esterno, nella struttura e nell’ambiente interno. Le differenze di livello provocano la migrazione di vapore e determinano la direzione di migrazione.

101 Le possibilità offerte da un’analisi in regime variabile consentono di staccarsi da un valutazione media mensile e valutare il fenomeno nella sua complessità anche a piccoli intervalli di tempo.

Modello di Glaser (UNI EN ISO 13788)

Regime variabile (UNI EN 15026)

Figura 41: Confronto tra regime stazionario e regime variabile (dinamico) FONTE: Manuale Anit 2013

Nell’immagine di sinistra si può notare la migrazione del vapore in regime stazionario: condizioni costanti all’interno e all’esterno; nell’immagine di destra è invece indicata la migrazione del vapore in regime variabile: condizioni variabili all’interno e all’esterno e capacità di assorbimento di umidità relativa della struttura.

L’azione dell’acqua sull’involucro edilizio è una delle principali cause di deterioramento e danneggiamento dei materiali da costruzione; per studiare al meglio il loro comportamento è necessario capire quali sono i meccanismi che causano l’ingresso di acqua in un materiale e quali fenomeni di degrado ne scaturiscono. In genere sono quattro i fenomeni più comuni per cui l’acqua può penetrare nella parete:

 sottoforma di acqua allo stato liquido: si pensi alla pioggia battente o alle infiltrazioni dal terreno;

 sottoforma di vapore in fase di condensazione sulla superficie o sull’interfaccia tra un materiale e l’altro;

 può essere inglobata nelle fasi di realizzazione dell’edificio, la cosiddetta umidità di cantiere (ad esempio nella preparazione del calcestruzzo in opera);

 per motivi accidentali, come ad esempio durante un acquazzone a cantiere aperto.

102

3.3.5.1 Materiali igroscopici

Un materiale può essere definito asciutto quando non contiene acqua (se non sottoforma di molecole vincolate chimicamente alla sua struttura). Questa condizione può essere raggiunta in laboratorio asciugando un materiale artificialmente. In condizioni reali ogni materiale trova il suo equilibrio igroscopico rispetto alle condizioni di umidità dell’ambiente esterno.

Se un materiale può assorbire acqua per suzione capillare è definito “igroscopico”, se non può farlo è definito “idrofobico”. Un materiale igroscopico può assorbire acqua fino a un livello detto di saturazione libera (o saturazione capillare). Un contenuto superiore d’acqua (saturazione dei pori o saturazione massima) può essere raggiunto solo attraverso un aumento della pressione esterna o una diffusione di vapore per variazione di temperatura.

Per un materiale igroscopico possiamo definire un contenuto di umidità critico al di sotto del quale non si verifica alcun meccanismo di conduzione capillare.

Figura 42: Contenuto d'acqua in funzione dell'umidità relativa per un materiale standard FONTE: Appunti Ing. Galbusera

Dal punto di vista pratico risulta particolarmente utile capire come un materiale sia in grado di immagazzinare umidità in funzione delle condizioni al contorno, ovvero studiare la relazione tra contenuto d’acqua e umidità relativa nell’ambiente esterno.

103 Tale relazione prende il nome di “funzione di equilibrio igroscopico”, e per studiarne il senso è utile distinguere tra tre regioni di equilibrio tipiche di un materiale igroscopico.

 Regione A: Compresa tra la condizione in cui il materiale è completamente

asciutto (Ur 0%) fino al livello di equilibrio d’assorbimento (Ur 95% circa). Il contenuto d’acqua nel materiale dipende dai meccanismi d’assorbimento di umidità dall’ambiente.

Condizioni: asciutte

Meccanismo di migrazione: diffusione

Il vapore attraversa gli strati in base alla differenza di pressione tra le interfacce ed in base alla permeabilità

dei materiali

 Regione B: Compresa tra il livello di equilibrio d’assorbimento (UR 95% circa)

fino al livello di saturazione libera. Questa regione è anche definita come “super-igroscopica”. Il contenuto d’acqua nel materiale dipende dai meccanismi di suzione capillare.

Condizioni: umide

Meccanismo di migrazione: diffusione e capillarità

Interagiscono due meccanismi che potrebbero sommarsi o annullarsi. La direzione e l’intensità della migrazione

per diffusione dipende dalla differenza di pressione e dalla permeabilità dei materiali. La direzione e intensità della migrazione capillare dipendono dalle caratteristiche

igroscopiche dei materiali e dalla differenza di umidità fra gli strati

 Regione C: Compresa tra il livello di saturazione libera e il livello di massima

104 raggiungibile in laboratorio forzando l’ingresso di umidità per suzione capillare con variazione di pressione.

Condizioni: saturazione Meccanismo di migrazione: capillarità

Il vapore attraversa gli strati in base alle caratteristiche igroscopiche dei materiali e alla concentrazione di umidità relativa fra gli strati. In questo caso è annullata la

migrazione per diffusione

Quando un materiale igroscopico è messo in condizioni di assorbire acqua liquida, questo raggiunge un contenuto d’acqua detto di saturazione libera (Wf). Quello che

succede nei pori è che, grazie alle forze capillari, l’acqua viene “risucchiata” all’interno del materiale, vincendo la pressione dell’aria intrappolata negli interstizi.

In questa situazione aria e acqua non si mischiano (ovvero non si formano bolle d’aria nel liquido) per via delle forti tensioni tra le molecole d’acqua che si esercitano in uno spazio così ridotto.

3.3.5.2 Vantaggi della UNI EN 15026

È possibile realizzare simulazioni igrotermiche orarie con software specifici in accordo con la norma UNI EN 15026. Sulla base delle caratteristiche igrotermiche dei materiali è possibile valutare ora per ora la temperatura e il contenuto d’acqua nei vari strati della struttura verificando che non vi sia nel tempo un aumento eccessivo dell’umidità.

Alcuni dei risultati che si possono ottenere a seguito di una modellazione sviluppata con risposta su più anni sono:

 possibilità e tempi di asciugatura di uno o più strati che sono impregnati di umidità di cantiere;

 valutazione della condensazione interstiziale nei vari strati con verifica di condizioni limite superate o meno a seconda del tipo di materiale;

105

 corretta progettazione, posizionamento ed efficacia di membrane, freni e barriere al vapore (statiche o a Sd variabile);

 valore di trasmittanza U che tenga conto della variazione delle prestazioni del materiale in funzione dell’umidità relativa.

Si può quindi dire che, alla luce di quanto detto sui due metodi differenti presentati dalle Normative, al progettista conviene adottare una valida procedura, che vada a vantaggio dell’economia dei tempi e della semplicità di calcolo, per decidere di utilizzare una simulazione statica piuttosto che una dinamica. Questa procedura è indicata nello schema sottostante:

Figura 43: Metodo operativo per la verifica di condensa, scelta tra verifica di Glaser o verifica in regime dinamico FONTE: Manuale Anit 2013

Quindi è da preferire, per la sua snellezza di calcolo, per le condizioni climatiche prefissate e come strumento di controllo rapido, una verifica con metodo di Glaser in accordo con la Norma UNI EN ISO 13788. Una volta che questa risulta soddisfatta, può essere quindi solo di interesse del progettista andare ad eseguire verifiche più articolate e sofisticate ridurre le approssimazioni.

Nel caso in cui invece la verifica con modello di Glaser non sia soddisfatta, o nel caso in cui si vogliano ottenere dei risultati più verosimili, andando a studiare nello specifico il comportamento nel tempo di ogni singolo materiale, allora si consiglia l’utilizzo di un’analisi di tipo dinamico come descritta dalla Norma UNI EN 15026.

106

Figura 44: Rapporto tra la Normativa UNI EN 15026 e la UNI EN ISO 13788 FONTE: www.casaenergetica.it

3.3.5.3 Condizioni climatiche esterne ed interne

Il modello di calcolo in questo caso considera, oltre ai meccanismi di diffusione del vapore lungo gli strati, anche tutti i fenomeni igroscopici in atto con un passo temporale non più mensile ma orario.

Le informazioni di partenza per la simulazione devono essere pertanto più raffinate rispetto a quelle comunemente usate nel modello di Glaser. Anche da un punto di vista climatico le condizioni al contorno devono essere dettagliate con passo orario (e non mensile) e riguardare parametri quali temperatura, umidità e pressione interna ed esterna, umidità di cantiere intrappolata nei materiali, irraggiamento per esposizione, ventosità e piovosità del sito di progetto.

Come si può vedere dal paragrafo 5.2.2 intitolato “Climate parameters”, per la Norma UNI EN 15026 la condizioni esterne non si limitano ad una approssimazione tabellare che tiene conto della zona climatica in questione, ma per una realistica simulazione dinamica del comportamento della parete occorre considerare nei calcoli dei dati ben più specifici e articolati.

Si riporta quindi il paragrafo in questione della Normativa:

“The external climate file shall include the climate parameters necessary for the analysis to be undertaken. A complete set would contain:

107

 dry bulb temperature;

 vapour pressure, or any other humidity parameter that can be used to calculate vapour pressure;

 global and diffuse solar radiation;

 sky temperature;

 wind speed and direction;

 total atmospheric pressure;

 precipitation (rain, snow, drizzle).”

E’ chiaro come le informazioni climatiche in possesso del progettista debbano essere più precise e personalizzate al sito di costruzione, andando ad richiedere parametri non considerati nella Norma precedente, come la velocità e direzione del vento e le informazioni riguardo le precipitazioni.

Per quanto riguarda le condizioni climatiche interne, per la Norma UNI EN ISO 13788 possono essere ipotizzate sulla base del metodo delle “Classi di produzione di vapore”. Questa stima si basa sul principio che le condizioni interne dipendono:

 dalle condizioni climatiche esterne (in particolare temperatura, umidità e pressione di vapore)

 dalla tipologia di utenza degli ambienti interni.

Le classi di produzione di vapore identificate dalla norma sono:

 classe 1: magazzini di stoccaggio di materiale secco, edifici non occupati

 classe 2: uffici, negozi, alloggi con ventilazione meccanica controllata

 classe 3: alloggi senza ventilazione meccanica controllata, edifici con indice di affollamento non noto

 classe 4: palestre, cucine, mense

 classe 5: edifici particolari, per esempio lavanderie, distillerie, piscine

Ad ognuna di esse è abbinata una funzione di trasformazione che lega i parametri climatici esterni a quelli interni.

108

Figura 45: Funzione di trasformazione tra parametri climatici esterni e interni per classificazione FONTE: Normativa UNI EN ISO 13788

In realtà, anche le condizioni climatiche interne devono essere commisurate a quelle esterne, così da mantenere un livello di raffinatezza dei dati, variabili in ogni istante, adatto ad un’analisi di tipo dinamico.

La continua variazione di umidità e temperatura interna può essere apprezzata nelle seguenti misurazioni ottenute con termoigrometri registratori, degli strumenti in grado di annotare questi due parametri così da poter valutare al meglio il comportamento dell’ambiente e dell’utenza, per quanto riguarda ventilazione e accensione/spegnimento degli impianti.

Figura 46: Misurazioni ottenute con termoigrometro registratore di temperatura interna e umidità relativa FONTE: Convegno Anit 2015

109 Come si può notare dal successivo confronto, le misurazioni di umidità assoluta ed i valori standard da Normativa non sono sempre in linea per tutti i mesi dell’anno, a causa delle semplificazioni a valori medi mensili. Sono molti invece i parametri che entrano in gioco, primo fra tutti la dipendenza delle condizioni climatiche interne da quelle esterne.

Figura 47: Differenza tra le condizioni statiche di Norma e le misurazioni reali FONTE: Convegno Anit 2015

A conferma di queste ipotesi vediamo una situazione reale, in cui il comportamento dell’utente è determinante per l’andamento dei parametri interni.

Nel seguente diagramma vedremo gli andamenti di temperatura ed umidità relativa interna in funzione dell’accensione dell’impianto: si possono individuare due casi specifici:

 si ha produzione di vapore con conseguente aumento di umidità relativa con temperatura stazionaria e cioè con impianto a regime;

 l’innalzamento dell’umidità relativa è dovuto all’abbassamento della temperatura per via dello spegnimento dell’impianto, quindi non si ha produzione propria di vapore acqueo.

110

Figura 48: Lettura del diagramma riguardo alla produzione di vapore FONTE: Convegno Anit 2015

Nel seguente andamento vedremo invece la correlazione tra condizioni esterne e condizioni interne, che trova massimo dialogo nei momenti specifici in cui avviene l’arieggiamento volontario. In questi casi vediamo che si ha contemporaneamente un brusco abbassamento dell’umidità relativa interna e della temperatura.

Figura 49: Andamento del diagramma in funzione di operazioni di aerazione del locale FONTE: Convegno Anit 2015

Per eseguire quindi una simulazione di tipo dinamico, occorre per forza di cose far riferimento a dati, sia interni che esterni, molto raffinati e quanto più conformi alla situazione reale.

111