PROGETTO DI UN CAPANNONE INDUSTRIALE IN ACCIAIO E CLS ARMATO CON PARETI VENTILATE

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Indice

2.2Il quadro normativo italiano in materia di risparmio energetico ... 28

2.3 Classificazione energetica dell’edificio ... 36

CAPITOLO 3 ... 38

3.1 Impostazione dell’edificio sul software DesignBuilder ... 38

3.2 Schematizzazione della parete ventilata sul software EnergyPlus ... 45

3.3 Modalità di svolgimento delle simulazioni su EnergyPlus ... 47

3.4 Risultati ... 48

CAPITOLO 4 ... 52

IL CASO DI STUDIO ... 52

4.1 Materiali utilizzati ... 54

4.2Azioni permanenti e ambientali ... 58

4.3 Azione sismica ... 66

5. COPERTURA METALLICA: ... 76

5.1 Arcarecci ... 77

5.2 Controventi di falda e verticali ... 88

5.3 Struttura principale: ... 93 5.4 Collegamenti: ... 98 6. STRUTTURA IN C.A. ... 121 6.1 Sovrastruttura ... 123 6.2 Fondazioni ... 138 6.3 Piano di manutenzione ... 144 CONCLUSIONI ... 147 Bibliografia ... 150

Allegato n°1: verifiche dei profili ... 152

2 Allegato n°3: verifiche a flessione e taglio delle travi ... 207 Allegato n°4: verifiche a taglio dei pilastri ... 217 Allegato n°5: verifiche allo SLE di travi e pilastri ... 221

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INTRODUZIONE

Obiettivi

La presente tesi nasce dall’esigenza di capire gli effetti sul comfort termoigrometrico e sul risparmio energetico dell’involucro edilizio in c.a. situato ad Arezzo, alla luce della normativa vigente in materia di risparmio energetico.

La prestazione energetica dell’involucro è infatti regolamentata dalle disposizioni del D.Lgs. 19 agosto 2005, n°192 e successive modificazioni, relativa al rendimento energetico nell’edilizia. Tali disposizioni normative impongono notevoli restrizioni sia a livello di fabbisogno energetico dell’edificio, che a livello di trasmittanza dei vari componenti edilizi, motivo per cui tutto il mercato edilizio si sta muovendo in tal senso per sviluppare nuove tecnologie riguardanti l’involucro e non solo, con l’obiettivo principale di ridurre i consumi energetici. A tale obiettivo però se ne affianca un altro, in quanto oltre a limitare il fabbisogno energetico di un edificio occorre considerarne anche il comfort climatico interno. Armonizzare questi due obiettivi non è sempre facile, soprattutto per edifici di grandi dimensioni come quello progettato e studiato. Pertanto il seguente studio cerca di realizzare la struttura rispettando le norme NTC 2008 e cerca di analizzare sperimentalmente l’elemento costruttivo di parete ventilata. Lo studio degli effetti della ventilazione naturale dell’involucro edilizio ventilato, sul risparmio energetico e sul benessere interno degli edifici, unitamente all’elaborazione di un modello matematico, ha consentito di ottenere importanti deduzioni circa il comportamento di tale elemento costruttivo nei nostri climi Mediterranei; la metodologia utilizzata si è basata su un procedimento costruttivo ed energetico tale da ottimizzare la struttura realizzata.

La ventilazione dell’elemento costruttivo ed il comfort termico costituiscono un aspetto molto importante nella progettazione di un edificio. Se in passato la ventilazione veniva considerata soprattutto in relazione al solo controllo dell’aria interna, recentemente si è dimostrato un crescente interesse nell’uso della ventilazione applicata all’elemento costruttivo quale strumento per garantire anche il comfort ambientale interno agli edifici nel periodo estivo e nelle stagioni intermedie, limitando il ricorso ai sistemi di refrigerazione in un’ottica di risparmio energetico. Da ciò nasce la volontà di studiare gli effetti dell’involucro edilizio ventilato sul risparmio energetico e sul benessere interno degli edifici. Si è pertanto voluto realizzare un edificio valutandone la sua classe

4 energetica attraverso il software di certificazione “Masterclima”. Successivamente, mediante software di simulazione dinamica (DesignBuilder, EnergyPlus), è stato analizzato l’edificio dal punto di vista termo-energetico attraverso la modellazione della parete ventilata.

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CAPITOLO 1

LO STATO DELL’ARTE

La ventilazione dell’ elemento costruttivo ed il comfort termico costituiscono un aspetto molto importante nella progettazione di un edificio. Se in passato la ventilazione veniva considerata soprattutto in relazione al solo controllo della qualità dell’ aria interna (con particolare riguardo alle condizioni invernali), recentemente si è dimostrato un crescente interesse nell’ uso della ventilazione applicata all’ elemento costruttivo quale strumento per garantire anche il comfort ambientale interno agli edifici nel periodo estivo e nelle stagioni intermedie, limitando il ricorso ai sistemi di refrigerazione in un’ ottica di risparmio energetico. Da ciò nasce la volontà di studiare gli effetti dell’involucro edilizio ventilato (parete ventilata) sul risparmio energetico e sul benessere interno degli edifici. A seguire vengono riportate alcune considerazioni generali relative alla letteratura di settore analizzata.

I buoni risultati di risparmio energetico ottenuti adottando involucri edilizi con rivestimento esterno composto da isolante e la necessità di prevenire il deterioramento di tale elemento costruttivo per effetto degli agenti atmosferici e della radiazione solare nei nostri climi [1], hanno condotto allo sviluppo di facciate ventilate con paramento esterno ad elevata inerzia termica. Dall’analisi della letteratura in merito alle facciate ventilate è emerso che in un primo momento gli studi sono stati condotti essenzialmente mirando ad analizzare il risparmio energetico ottenuto durante la stagione invernale, approfondendo il problema della durabilità che questi involucri hanno. Successivamente gli studi hanno mirato a valutare anche le sue eccellenti proprietà durante la stagione estiva, grazie all’"effetto camino" che si instaura all’interno del condotto di ventilazione, conducendo allo sviluppo di molti modelli numerici che determinano una serie di temperature e la velocità dell’aria nel camino di ventilazione, valutando il comportamento termico [2]-[3]. Pochi sono invece gli studi che hanno illustrato l'analisi sperimentale di muri ventilati con paramento esterno in laterizio. Del resto, molti studi sperimentali sono stati eseguiti su facciate a doppia pelle [4]-[5]-[6]-[7], su pareti con pannelli leggeri esterni [8]-[9] o con pannelli fotovoltaici a parete [10]. I pochi studi sperimentali compiuti su pareti con paramento esterno in laterizio esaminano modelli

6 presenti convalidati comparando i risultati da letteratura con i dati sperimentali ottenuti da laboratorio [11].

I buoni risultati di isolamento termico ottenuti ponendo lo strato di isolante sulla superficie esterna della parete e le esigenze di fornire alla struttura un’adeguata protezione dagli agenti atmosferici hanno condotto alla realizzazione delle cosiddette “pareti ventilate”. Ciò che le distingue dagli altri sistemi di pareti è l’esistenza di uno strato funzionale aggiuntivo, lo strato di ventilazione, il cui funzionamento fluidodinamico si è iniziato ad indagarlo proprio in questi ultimi anni. Ciampi et Al. [2] hanno analizzato mediante modelli di simulazione le prestazioni termiche offerte da varie tipologie di facciate ventilate basandosi sull’applicazione della teoria classica della ventilazione ed utilizzando l’ ambiente di programmazione MAPLE 7 per la soluzione del sistema di equazioni differenziali. Lo studio in particolare svolge un confronto tra le prestazioni della ventilazione nel caso di pareti con rivestimento in laterizio, in ceramica ed in metallo; il confronto in particolare avviene sulla base di un parametro S definito come risparmio energetico:

S = (Q0 –Q) / Q0

dove Q (W/m2) rappresenta il flusso di calore specifico entrante attraverso la parete e Q0 invece quello entrante in assenza di ventilazione. Il significato di S risulta fortemente intuitivo, soprattutto quando assume valori compresi tra 0 ed 1; valori negativi di S indicano chiaramente che la ventilazione non è conveniente. Dal confronto emerge che la parete che utilizza in maniera più efficace la ventilazione risulta quella avente un paramento in laterizio, con uno strato di isolamento termico posto nell’ intercapedine in aderenza il paramento interno. Da un punto di vista energetico esse sono tanto più convenienti quanto maggiore è l’irraggiamento solare. In particolare, è stato constatato che il risparmio percentuale S è funzione analitica di cinque parametri adimensionali: z, dipendente dalla posizione dell’intercapedine all’interno della struttura e quindi, in particolare, dalla distribuzione di isolante tra il paramento interno e quello esterno; φ, caratterizzante il campo termico e l’insolazione; H, relativo allo scambio termico per irraggiamento nell’ intercapedine; χ, che quantifica la riduzione di resistenza termica dovuta al moto dell’ aria nell’ intercapedine e cRt0, prodotto tra la portata termica dell’aria e la resistenza totale dell’intercapedine chiusa.

7 L’efflusso d’aria nell’intercapedine può essere mantenuto meccanicamente, utilizzando opportuni elettroventilatori, con un spesa energetica assai contenuta; in questi casi la portata d’aria fluente nell’intercapedine è un dato del problema e può essere considerata un parametro indipendente che determina il valore di cRt0; ovviamente al crescere di tale parametro aumenteranno le perdite di carico nell’intercapedine e la spesa energetica richiesta per il funzionamento degli elettroventilatori. In molti casi l’efflusso d’aria nell’intercapedine può essere assicurato naturalmente senza ricorrere ad alcun mezzo meccanico; in questi casi la portata non raprresenta un parametro indipendente ma è conseguenza della geometria, dei campi termici presenti e delle caratteristiche termo fisiche della particolare struttura in esame. Una stima dei valori delle portate d’aria che si stabiliscono per effetto camino, nelle facciate e coperture ventilate caratterizzate da geometrie semplici, al fine di fornire una valutazione dei campi di variazione dei parametri adimensionali utilizzati, è data da:

dp+ρdEp+ρdLat=0 (1)

dove:

- dp, dEp=g·senθdx rappresentano rispettivamente le variazioni di pressione, di energia cinetica e potenziale;

- dLat esprime il lavoro di attrito; - ρ rappresenta la densità dell’aria; - g è l’accelerazione di gravità; - D=2ld/(l+d) il diametro idraulico.

Nell’attraversare la sezione, la velocità dell’aria passa dal valore zero sull’esterno, al valore W0 all’inizio dell’intercapedine, la pressione dal valore p0 al valore p1 mentre la densità, la temperatura e la quota rimangono invariate. Dunque avremo:

p1-p0+(1/2)ρ0W0 2

(1+f0)=0 (2)

dove:

- f0 è il fattore di attrito dei paramenti delimitanti l’intercapedine in corrispondenza della sezione di ingresso;

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Trascurando la dipendenza della densità dalla pressione e facendo uso del bilancio di massa (ρW=ρ0W0) possiamo considerare:

ρ=ρ0·T0/T W=W0·T/T0 (3)

dove:

- ρ0densità dell’aria in corrispondenza della sezione di ingresso;

- W0 è la velocità di imbocco dell’efflusso d’aria nell’intercapedine;

- T0 è la temperatura d’ingresso;

- W è la velocità dell’efflusso di aria nell’intercapedine.

Andando a sostituire l’espressione (3) nella (1) e tenendo conto della (2) si ottiene:

formula che è stata usata per calcolare, per vari tipi di pareti e coperture ventilate, la portata termica dell’aria fluente nell’intercapedine e quindi il parametro adimensionale cRt0.

Nel caso di ventilazione naturale, trascurando le condizioni atmosferiche esterne, la portata d’aria è determinata dal campo termico e dalle perdite di carico fluidodinamiche. In queste condizioni la velocità di imbocco W0 risulta:

W0 2 = gLsenσ·

Utilizzando questo modello matematico sono state effettuate parametrizzazioni circa lo studio dell’influenza del tipo di rivestimento esterno della parete ventilata sul risparmio percentuale S. In particolare, in tutti i casi è stato riscontrato che:

• l’energia risparmiata aumenta all’aumentare dello spessore d dell’intercapedine e tale aumento risulta particolarmente marcato per d ᵙ 0,15m (Fig.1.1);

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Figura 1.1:.Variazione dell’energia risparmiata, S, al variare della larghezza del condotto di ventilazione d (m).

• il posizionamento dello strato di isolamento in aderenza alla parete interna risulta più efficace dal punto di vista energetico rispetto ad uno strato di isolamento aderente alla parete esterna (Fig.1.2);

Figura 1.2:.Variazione dell’energia risparmiata, S, al variare della percentuale di isolamento in aderenza al paramento esterno.

• l’incremento dell’energia risparmiata aumenta all’aumentare dell’intensità della radiazione solare (Fig.1.3). Le facciate ventilate il cui rivestimento esterno è costituito da un materiale riflettente (acciaio speciale, alluminio-titanio, ecc…) riducono in maniera più significativa l’influenza della radiazione solare e possono essere considerate come una valida alternativa delle pareti ventilate.

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Figura 1.3:.Variazione dell’energia risparmiata, S, al variare dell’intensità della radiazione solare G (W/m2).

• l’energia risparmiata aumenta sensibilmente al diminuire della differenza di temperatura tra interno ed esterno;

• la resistenza termica del paramento esterno della parete ventilata determina l’aumento dell’energia risparmiata S (Fig.1.4) mentre i relativi valori di rugosità delle superfici delimitanti il condotto di ventilazione influenzano determinano la diminuzione di S (Fig.1.5).

Figura 1.4:.Variazione dell’energia risparmiata, S, al variare della resistenza termica (m2K/W) del paramento esterno.

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Figura 1.5: Variazione dell’energia risparmiata, S, al variare della rugosità delle superfici delimitanti il condotto di ventilazione b(m).

Lo studio tuttavia si basa su dati ricavati da modellazioni e non supportati da riscontri sperimentali.

Carla Balocco et Al. [12], prendono in considerazione lo studio della facciata ventilata rivestita con tavelle in laterizio; la ricerca riguarda lo studio di una parete ventilata prevista per il rivestimento di un edificio destinato ad uso uffici realizzato nella città di Mantova.

La facciata ventilata in esame, è montata su un edificio con struttura a telaio in c.a. e muratura di tamponamento in calcestruzzo cellulare espanso, ed è costituita da un pacchetto composto da pannelli isolanti di cm 5 di spessore, staffe, montanti e tavelle da rivestimento in laterizio, con un’intercapedine di cm 15 (Fig.1.6). La scelta del sistema di sottostruttura realizzata con staffe e montanti in acciaio, e quindi dello schema statico conseguente, è condizionata soprattutto dal tipo di struttura dell’edificio, dai carichi orizzontali previsti, dalle caratteristiche del rivestimento e dal tipo di fissaggio che questo richiede. Inoltre, grande importanza assume la valutazione delle dilatazioni termiche essendo la facciata ventilata montata su telai metallici.

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Figura 1.6: Edificio per uffici a Mantova rivestito con facciata ventilata in laterizio.

In questo lavoro è stato definito un semplice modello per valutare il comportamento termofisico della facciata ventilata. È stato implementato un programma di calcolo utile a fornire una valutazione complessiva del comportamento termo fisico della struttura studiata. Assumendo condizioni di regime stazionario, sono stati considerati tutti i parametri dovuti al bilancio energetico comprendendo anche il termine legato al flusso dell’aria nell’intercapedine. La portata di aria e le condizioni termo igrometriche del sistema dipendono, oltre che dalla tecnologia adottata, anche dalle condizioni climatiche locali: temperatura ed umidità relativa dell’aria, irraggiamento solare, velocità del vento. Infatti la ventilazione naturale all’interno di una cavità, per effetto camino, è il risultato dell’interazione della gravità con le differenze di densità dell’aria connesse alle variazioni di temperatura e di pressione e, quindi, della portata in massa d’aria fluente nell’intercapedine stessa. Il bilancio di primo principio in condizioni stazionarie comporta la risoluzione di un sistema di quattro equazioni definite attraverso lo scambio termico per irraggiamento: tra i due elementi, paramento esterno in tavelle di laterizio e il muro retrostante in calcestruzzo cellulare isolato sul lato esterno verso l’intercapedine; tra la superficie esterna del paramento con l’ambiente esterno (gli scambi per convezione tra la tavelle e l’ambiente esterno, per convezione all’interno dell’intercapedine tra le superfici che la delimitano e l’aria); infine occorre calcolare gli scambi di calore per conduzione tenendo conto della resistenza complessiva della parete che separa l’ambiente interno dall’intercapedine ventilata.Viene, inoltre, considerato, fra i termini del bilancio, il guadagno termico dovuto alla radiazione solare incidente sulla tavella in funzione del fattore medio di assorbimento emisferico. Il flusso termico scambiato per convezione tra l’aria e le superfici delimitanti l’intercapedine viene calcolato con la relazione:

13 Dove il coefficiente di convezione h che compare nella formula è lo stesso che si userebbe per scambio termico secco, senza condensa. L’entalpia dell’aria umida viene considerata forza motrice dello scambio combinato di calore sensibile e latente. Jp rappresenta l’entalpia dell’aria alla temperatura di parete.

Il programma che per via iterativa ha risolto il sistema di equazioni derivate dal bilancio di energia e di massa, ha permesso di conoscere:

• L’andamento e la distribuzione della temperatura del sistema aperto parete ventilata, delle superfici interna ed esterna del paramento, dell’aria all’interno dell’intercapedine, della superficie del muro rivolta verso l’intercapedine (Fig.1.7);

Figura 1.7.: Temperatura delle superfici della parete ventilata.

• La quantità in massa di aria entrante ed uscente dall’intercapedine, le condizioni igrometriche di quest’ultima nonché la velocità dell’aria al suo interno (Fig.1.8);

14 • Il flusso termico entrante ed uscente nell’ambiente interno dell’edificio e quindi la quantità di calore sottratta dalla massa d’aria fluente nell’intercapedine ventilata (Fig.1.9).

Figura 1.9: Flusso termico entrante e uscente nell’ambiente interno dell’edificio.

Le considerazioni conclusive a cui è giunta tale ricerca hanno riguardato il flusso d’aria e la temperatura media dell’aria nell’intercapedine, in quanto è stato rilevato che in un’intercapedine più ampia circola più aria, ciò comporta una simultaneità tra l’aumento del flusso d’aria e l’aumento del flusso termico dovuto alla radiazione solare; inoltre, per quanto riguarda la temperatura del paramento di rivestimento, è stato rilevato che la temperatura della superficie interna della tavella si riduce in corrispondenza dell’aumento della temperatura dell’aria esterna e della radiazione solare incidente, insieme alla riduzione del valore della temperatura media dell’aria nell’intercapedine; infine, si è riscontrata una notevole riduzione del flusso termico medio entrante. Un altro semplice approccio attraverso software di simulazione energetica, è stato effettuato al Politecnico di València da F.V. Soto Francès et Al. [13] dove l’obiettivo era appunto quello di ottenere un modello più semplice possibile. Il flusso risultante di calore, può essere ottenuto come il risultato di bilanci energetici tra il bordo esterno, il canale ventilato intermedio e la parete esterna della parete massiccia a contatto con il canale ventilato (Fig.1.10).

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Figura 1.10: Schema parete ventilata.

Il trasferimento di calore è legato alla temperatura della superficie esterna della parete massiccia. La capacità termica del bordo esterno viene trascurata, in quanto, esso è costituito da uno spessore di 1cm per cui trascurabile rispetto alla parete che lo sostiene. Lungo l’altezza invece, le temperature del bordo esterno e della superficie esterna a contatto com l’aria del canale, non presentano variazioni termiche rilevanti per cui si è assunta una temperatura uniforme (Fig.1.11) mentre la temperatura dell’aria all’interno del canale, varia con l’altezza (Fig.1.12).

Figura 1.11: Equilibrio di scambio termico.

Il bilancio energetico all’interno della cavità viene studiato come un processo quasi stazionario poiché attraverso varie misurazioni si è dimostrato che l’inerzia termica degli elementi esterni poteva essere trascurata.

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Figura 1.12: Temperature dell’aria nel canale ventilato.

Pertanto, i risultati di questo modello sono stati applicati alla facciata ventilata dove l’inerzia termica non può essere trascurata. Dunque si è potuto constatare attraverso un set-up sperimentale che il modello può essere applicato in modo sicuro, per facciate dove il bordo esterno presenta uno spessore minore di quello utilizzato, 1cm. Si tratta dunque di utilizzare superfici in ceramica, metallo o moduli fotovoltaici. Le misure, prese da agosto a dicembre del 2010 al fine di prendere in considerazione una vasta gamma di dati, hanno dato risultati migliori nelle giornate di sole poiché gli effetti della radiazione solare sono più significativi rispetto al vento.

Carla Balocco [14] ha anche studiato un semplice e pratico strumento per studiare la performance energetica di diverse tipologie di facciate ventilate. Per simulare il prototipo studiato, è stato applicato un bilancio energetico allo stato stazionario, le cui equazioni sono risolvibili agli elementi finiti, con una procedura iterativa. Sono state calcolate per diverse altezze del canale di ventilazione la temperatura superficiale e la temperatura dell’aria. Sono stati analizzati gli effetti dovuti a differenti larghezze del canale di ventilazione durante la stagione estiva che invernale con bocchette aperte e chiuse. Le analisi mostrano che è possibile ottenere un sensibile effetto di raffrescamento durante l’estate, se il condotto di ventilazione ha una larghezza di 7 cm. Una riduzione del 27,5% nel surriscaldamento estivo, dovuto alla radiazione termica incidente sulla parete ventilata posta a Sud, è ottenuta con una larghezza del condotto di ventilazione di 35 cm, contro una riduzione del solo 7% ottenibile con un condotto di ventilazione largo 7 cm. Per intercapedini larghe circa 5 cm si hanno condizioni di aria praticamente ferma. Dall’analisi dei risultati di tali simulazioni è stato possibile pertanto focalizzare sul comportamento energetico delle pareti ventilate. In particolare:

17 • La larghezza del canale di ventilazione influenza la convezione naturale e il movimento d’aria all’interno; solitamente una riduzione della resistenza dovuta alla frizione corrisponde ad un aumento del flusso d’aria attraverso il condotto. Quest’ultimo effetto aumenta al diminuire del rapporto tra larghezza ed altezza del canale.

• Il flusso d’aria aumenta con la larghezza del condotto di ventilazione, aumentando l’effetto camino. Tale effetto è massimo per larghezze del canale di ventilazione di 20-30 cm.

• La geometria e la rugosità media del condotto influenza in maniera uniforme il flusso di calore, la variazione di temperatura superficiale lungo il camino e le perdite di pressione.

Nel Febbraio del 1999, un studio riguardo l’Analisi teorica e sperimentale del comportamento termico di facciate ventilate, Successivamente, un secondo studio è stato effettuato dal Prof. Marco Filippi presso il Politecnico di Torino [15] è stata effettuata un’analisi teorica e sperimentale . È stata affrontata una lettura di carattere tecnologico e funzionale della tipologia a doppio involucro. In particolare sono state elaborate alcune statistiche relative alle destinazioni d’uso prevalenti, agli spessori delle intercapedini più ricorrenti e al tipo di protezione solare più utilizzata. Sono state inoltre redatte una serie di schede su alcuni progetti significativi realizzati in Europa in cui sono state riportate le caratteristiche principali degli edifici analizzati come la localizzazione, il progettista, l’anno di realizzazione, la tipologia di doppio involucro e, dove esistevano i dati, la descrizione dei componenti delle due frontiere.

18 Due progetti particolarmente interessanti sono stati oggetto di specifico approfondimento: il Quinto palazzo uffici SNAM (Fig.1.13) e il sistema "Blue Building" brevettato dalla Permasteelisa . Si è poi affrontata l’analisi fisico–tecnica dei doppi involucri trasparenti con approfondimento dei modelli di calcolo utilizzabili per intercapedini chiuse e intercapedini ventilate ed inoltre sono stati esplicitati gli algoritmi del programma di calcolo utilizzato (WIS del Centro di Ricerca olandese TNO).

Dai risultati ottenuti dalle simulazioni su diverse configurazioni di facciate a doppio involucro sono state elaborate delle schede tecniche, in cui in particolare si è scelto di riportare:

• lo schema grafico con le temperature dei componenti;

• la trasmittanza, il fattore solare e ed il flusso termico netto, espresso in W/m2 (Fig.1.14).

Dall’analisi dei risultati sono state tratte alcune indicazioni a carattere progettuale, valide per i climi temperati ed in particolari condizioni di picco climatico. Nel caso di doppi involucri con intercapedine chiusa (assenza di ventilazione), sono risultate ottimali, in condizioni climatiche di picco estivo ed invernale, distanze molto ridotte tra le frontiere, ovvero tra i 15 e i 20 mm. Poiché tuttavia nelle soluzioni a doppio involucro risultano di più frequente utilizzo distanze comprese tra 150 e 1000 mm i confronti prestazionali sono stati effettuati sulle tre dimensioni: 150, 500 e 1000 mm. In generale, si evidenzia come aumentando la distanza tra i vetri, le trasmittanze termiche aumentino. Con la ventilazione dell’intercapedine risultano invece più funzionali, in termini di trasmittanza termica, distanze comprese tra 50 e 150 mm; per le simulazioni successive si è considerata come distanza ottimale 150 mm, tenendo conto del fatto che con dimensioni ridotte dell’intercapedine il flusso d’aria a parità di portata ha una velocità maggiore che potrebbe essere fonte di rumore o causare discomfort in prossimità delle bocchette e che uno spazio ridotto di intercapedine potrebbe rendere difficoltosi l’installazione ed il funzionamento di un eventuale schermo. Relativamente al posizionamento dello schermo (tenda chiara) sono state prese in considerazione, in condizioni di picco estivo, quattro soluzioni: all’interno, nell’intercapedine a 50 mm dalla frontiera interna, nell’intercapedine a 50 mm dalla frontiera esterna, all’esterno. La scelta dei 50 mm di distanza tra schermo e componente vetrato è derivata anch’essa dalle simulazioni effettuate. Come prevedibile lo schermo posizionato all’esterno ha dato i risultati migliori permettendo una riduzione notevole del fattore solar e del doppio involucro.

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Figura 1.14: Esempio di schema di calcolo: flussi termici uscenti espressi in W/m2.

Le strategie di ventilazione giocano un ruolo predominante nel comportamento termico dei doppi involucri. In particolare si possono individuare quattro strategie:

- ripresa dall’interno ed estrazione;

- ripresa dall’interno ed immissione all’interno; - ripresa dall’esterno ed estrazione;

- ripresa dall’esterno ed immissione all’interno.

Tra queste si è rivelata ottimale nelle condizioni di picco quella che prevede la ripresa dall’interno con estrazione; l’estrazione può avvenire tramite aerazione forzata attraverso canalizzazioni nel controsoffitto (o dove possibili).

Nel Dipartimento di Costruzione dell’Architettura della facoltà di Architettura di Venezia [16] è stato condotto da P. Brunello et Al., uno dei primi studi analitici in materia di pareti ventilate. Il lavoro ha applicato un modello numerico dettagliato il quale permettesse di individuare con precisione il campo di temperatura e di velocità dell’aria nell’intercapedine, confrontandone i risultati con quelli di un modello semplificato predisposto per applicazioni progettuali. In particolare, si è visto che il campo termico e fluidodinamico che si instaura in una parete ventilata, al variare delle sue caratteristiche geometriche e delle condizioni al contorno a cui è soggetta, può essere determinato facendo ricorso alla fluidodinamica numerica (“Computational Fluid Dynamics (CFD)”), un metodo di simulazione basato sulla risoluzione per via numerica delle equazioni differenziali alle derivate parziali date dai bilanci di energia e di massa,

20 nonché dalla conservazione della quantità di moto nel sistema considerato. In tal modo è stato possibile determinare con grande precisione i campi di temperatura, pressione e velocità dell’aria all’interno del dominio considerato, nonché altre informazioni, quali la direzione delle linee di corrente e la presenza delle zone di ristagno. Tuttavia per una prima indagine del comportamento di una parete ventilata, è stato utilizzato un metodo di calcolo più semplice, adatto a verifiche di tipo progettuale, in particolare per prevedere la portata d’aria che circola nell’intercapedine. Il modello si è basato sul bilancio termico dell’aria nell’intercapedine e delle due superfici che lo delimitano. Dal confronto tra i risultati tra i due modelli si è visto come quello semplificato sia in grado di rappresentare in maniera soddisfacente il sistema per velocità del vento basse, mentre quando si hanno velocità più elevate, i fenomeni di pressione dinamica all’imbocco e allo sbocco (non considerati nel modello semplificato) divengono più importanti, portando ad un maggior scostamento tra i risultati. E’ stato condotto uno studio analitico sul condotto di ventilazione delle facciate ventilate per migliorare la ventilazione degli edifici. E’ stato usato il software CFD per determinare il flusso d’aria nella cavità ventilata, facendo riferimento ai dati misurati da altri studi per procedere alla verifica dell’attendibilità del modello di simulazione. Effettuata tale verifica, è stato trovato tramite la modellazione fluidodinamica che esiste una larghezza ottimale della cavità tale da massimizzare il flusso d’aria indotto per galleggiabilità, compresa tra 0,55 e 0,6m per un condotto di ventilazione alto 6m. La percentuale di ventilazione in una facciata ventilata alta quattro piani in genere aumenta con l’ampiezza della cavità ma diminuisce all’aumentare del livello di piano, dal basso verso l’alto.

Riguardo ciò, successivamente vari gruppi di ricercatori hanno analizzato il comportamento termico ed energetico delle facciate ventilate realizzando modelli di simulazione. Uno di questi gruppi costituito da Colombari et Al. [17], ha analizzato il comportamento termico ed energetico di 3 prototipi di facciata costruiti a scala reale, prodotti dall’industria Permasteelisa Group. Attraverso una preliminare attività sperimentale si sono misurati i parametri climatici e termici delle facciate ventilate, in modo da valutare le condizioni di funzionamento interne e il comportamento termico dei componenti dei prototipi (Fig.1.15). Successivamente è stata svolta un’attività di modellazione sui software TRANSYS e DIGITHON, previa taratura del modello di simulazione in base ai dati sperimentali. Il confronto tra i dati monitorati e simulati mostra la necessità di potenziare l’affidabilità degli strumenti di simulazione per edifici

21 con elementi di facciata innovativi, con particolare riferimento ad edifici con elevati apporti solari.

Figura 1.15: Test rooms della Permasteelisa Group.

Successivamente, nel 2003, da D. Faggembau et Al. [18] è stato sviluppato un codice numerico proprio per analizzare e prevedere il comportamento termico di queste facciate (Fig.1.16). Tali facciate sono formate da due strati di materiali diversi separati tra loro da un canale d’aria utilizzato per raccogliere o evacuare la radiazione solare che viene assorbita dalla facciata. Lo strato esterno solitamente viene realizzato interamente in vetro, mentre quello interno può essere anche parzialmente opaco. Questo permette di avere dei guadagni solari diretti.

L’uso di queste facciate vetrate è molto comune, in quanto, oltre all’interessante aspetto architettonico, contribuiscono a ridurre il consumo di energia per il riscaldamento e il raffrescamento.

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Figura 1.16: Profilo geometrico schematico della facciata ventilata analizzata.

Questo codice è stato applicato all'analisi di geometrie standard di facciate a doppia pelle. A tal fine è stato condotto un preliminare studio parametrico nei climi Mediterranei per determinare l'influenza di diverse variabili, come la posizione delle bocchette, l'introduzione di materiali a cambiamento di fase (PCM) e l'impiego di vetri a bassa emissività, ecc. Allo scopo di caratterizzare il comportamento termico delle facciate, sono stati definiti due coefficienti i quali si riferiscono ai guadagni interni ed entalpici dovuti alla radiazione solare. Se le facciate ventilate venissero adeguatamente progettate, esse rivelerebbero un significativo miglioramento della performance termica rispetto alle facciate dotate di semplici vetri standard, permettendo peraltro all’energia di essere accumulata sotto forma di aria calda per poi essere usata ai fini di ridurre il consumo di energia invernale.

Da F. Patania et Al. [19] è stato, invece usato il codice computazionale fluidodinamico "Fluent” per analizzare il comportamento termico di tre tipologie diverse di facciate ventilate (Fig. 1.17) chiamate rispettivamente P1, P2 P3.

Esse presentano la stessa resistenza termica pari a 1,98 m2KW-1 ma si distinguono tra loro per le caratteristiche termo-fisiche, la geometria e il rivestimento superficiale esterno:

- P1 con rivestimento esterno costituito da mattoni;

- P2 con rivestimento esterno costituito da piastrelle in ceramica;

23 Le caratteristiche geometriche dei canali d’aria ovvero, altezza pari a 6m e spessore d=0,15m, sono stati scelti in accordo con i valori proposti da Ciampi et Al. [2], al fine di ottenere la migliore prestazione energetica per il campione. Il coefficiente di assorbimento solare è stato definito costante perché la differenza di temperatura tra i tre casi studiati cambia di pochi centesimi. Attraverso tale codice, è stato dunque possibile osservare differenze significative della velocità e della temperatura dei profili a causa delle caratteristiche termo-fisiche differenti del paramento esterno. L’analisi dei risultati ha portato a tali considerazioni:

- il risparmio energetico S aumenta se aumenta la radiazione solare;

- l’aumento della temperatura dell’aria esterna provoca la diminuzione del risparmio energetico S a causa della riduzione degli effetti della ventilazione; - l’aumento della velocità di ingresso dell’aria, provoca la riduzione della

temperatura dell’aria all’interno del condotto e quindi l’aumento del risparmio energetico S.

Si è inoltre osservato che il rendimento energetico di queste facciate migliora quando lo strato esterno presenta valori bassi di conducibilità termica e valori alti di densità e calore specifico. Pertanto, è possibile affermare che le facciate ventilate sono tanto più vantaggiose quanto più sono bassi i valori di diffusività termica dello strato esterno.

24

Figura 1.18: Risparmio energetico S in funzione della radiazione solare I e risparmio energetico in funzione della temperatura interna al condotto T0.

Dunque, lo scopo della ricerca è stato quello di mostrare un metodo analitico capace di rispondere alle più consuete domande riguardanti la progettazione della facciate ventilate, offrendo pertanto un valido criterio utile per scegliere le più appropriate facciate ventilate sia in caso della convezione forzata, per effetto ad esempio dell’azione di un ventilatore, che di convezione naturale, dovuta all’effetto camino (Fig.1.18).

25

CAPITOLO 2

2.1 Considerazioni generali

I cambiamenti climatici che hanno avuto inizio nel XX secolo, oggi, diventano sempre più evidenti. Rispetto ai pericoli che essi rappresentano, l’opinione pubblica e i politici stanno cominciando a prendere coscienza della necessità di proteggere l’ambiente naturale.

Da molti decenni gli esperti mettono in guardia contro gli effetti irreversibili, per il pianeta e per gli uomini che lo abitano, di quattro macro-fenomeni:

 Il rapido aumento della popolazione;  Lo spreco di materie prime;

 Il degrado dell’aria, dell’acqua e del suolo;  La produzione insostenibile di rifiuti.

La popolazione della Terra è passata da circa 1.5 miliardi di persone nel 1900 ai sei miliardi del 2000. La crescita impressionante del numero di esseri umani che si pone problemi legati alla necessità di una casa e alla qualità della vita, soprattutto nelle regioni del Levante, dove l’aumento della popolazione continua a essere galoppante. La Terra è investita da un’enorme quantità di energia proveniente dal Sole. Al di sopra dell' atmosfera il flusso medio è stimato in 1366 watt per metro quadrato; questo valore è denominato “Costante Solare”.

Di conseguenza, tenuto conto della superficie sferica del nostro pianeta, la potenza solare che viene indirizzata sulla Terra ha un valore di circa di 174 × 1015 watt, ossia di 174 milioni di gigawatt. In altri termini, l' energia luminosa arriva sulla Terra al ritmo di 174 milioni di gigajoule al secondo.

In condizioni di equilibrio la quantità di radiazione ricevuta è bilanciata da un’uguale quantità riemessa in due modi:

- riflessione (circa il 30% del totale, prevalentemente dalle nubi); - riemissione come radiazione di corpo nero (il restante 70%).

26 Si tratta di una quantità di energia di gran lunga superiore a quella complessivamente generata dall'uomo.

La radiazione non riflessa viene assorbita dall' atmosfera (16%), dalle nubi (4%) e dalla superficie terrestre e dai mari (51%), dove si trasforma in calore. La Terra, come qualunque corpo caldo, emette una radiazione elettromagnetica la cui lunghezza d'onda è legata alla temperatura dalla legge di Wien.

Alla temperatura della superficie terrestre, circa 287 °K, l'emissione è nel campo dei raggi infrarossi a circa 10 micrometri. L'atmosfera terrestre, che è trasparente alla luce visibile e all'infrarosso vicino, non lo è alla lunghezza d'onda di 10 micrometri, per cui solamente il 6% della radiazione riemessa riesce a sfuggire nel cosmo. Il resto viene assorbito e riscalda l'atmosfera, la quale a sua volta riemette energia. La temperatura al suolo aumenta così fino a quando la quantità di radiazione che riesce a sfuggire compensa quella ricevuta dal sole. Le attività umane stanno alterando la composizione chimica dell’atmosfera. Le enormi emissioni antropogeniche di gas serra stanno causando un aumento della temperatura terrestre determinando, di conseguenza, dei profondi mutamenti a carico del clima sia a livello planetario che locale. Prima della Rivoluzione Industriale, l’uomo rilasciava ben pochi gas in atmosfera, ma ora la crescita della popolazione, l’utilizzo dei combustibili fossili e la deforestazione contribuiscono non poco al cambiamento nella composizione atmosferica.

Il Comitato Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici ritiene che la temperatura media del Pianeta sia aumentata di circa 0,6°C dal 1861. Inoltre, sulla base delle tendenze attuali di emissione dei gas serra, vi è la stima di un ulteriore aumento della temperatura terrestre tra 1,4 e 5,8°C nel periodo fra il 1990 e il 2100.

Il settore civile nel suo complesso è responsabile di circa il 40% del totale dei consumi energetici dell’Europa. Per quanto riguarda l’Italia, prima di addentrarci nell’analisi dettagliata di questo aspetto, facciamo alcune considerazioni di carattere generale che evidenziano immediatamente la rilevanza energetico-ambientale del settore edilizio. Dei circa 190 milioni di tep (tonnellate di petrolio equivalenti) consumate annualmente in Italia, che equivalgono pressappoco a dieci litri al giorno per persona, 28 milioni sono destinati agli usi residenziali degli abitanti. Inoltre, a fronte di un tasso complessivo di crescita dei consumi energetici non superiore all’1%, il settore residenziale accresce i consumi di un 2% annuo. Allo stato attuale, in Italia il 30% dei 150 Mtep di energia impiegata in un anno è utilizzata nel settore residenziale e terziario ed è responsabile del 25% delle emissioni di anidride carbonica.

27 Se, però si tiene conto dell’intera filiera, considerando gli impieghi relativi all’industria dei materiali e quella delle costruzioni, il valore passa approssimativamente al 43%, facendo divenire tale settore il più energivoro.

Un ulteriore elemento da considerare, sempre in termini medi, è la ripartizione delle spese annuali per una famiglia italiana tipo. Si comprende immediatamente quanto sia importante, anche per l’economia domestica della popolazione, intervenire sulla climatizzazione delle abitazioni e sugli usi sanitari cui, nel complesso, è attribuibile un’incidenza pari al 62%. Per quanto riguarda il consumo energetico nel settore civile, a livello europeo, possiamo dire che l’Italia è tra i maggiori consumatori.

Le Nazioni unite e il Protocollo di Kyoto

All’inizio degli anni novanta, il Summit della Terra organizzato dalle Nazioni Unite a Rio de Janeiro ha messo in allerta l’opinione pubblica sulle conseguenze del saccheggio delle materie prime, sull’aumento inquietante dell’effetto serra e sul degrado tanto rapido quanto spettacolare degli equilibri ecologici.

Gli impegni presi a Rio si sono concretizzati in numerose misure che vogliono incoraggiare gli abitanti dei paesi industrializzati a salvaguardare le risorse naturali rimettendo in discussione il loro modo di vivere e di abitare. Se il Summit di Rio aveva una impostazione sociale e culturale più teorica e di principio, quello di Kyoto (1996) si è presentato con un taglio più operativo. Il Protocollo di Kyoto è un documento redatto e approvato nel corso della Convenzione Quadro sui Cambiamenti climatici tenutasi in Giappone nel 1997. Nel Protocollo sono indicati gli impegni di riduzione e di limitazione quantificata delle emissioni di gas serra (anidride carbonica, gas metano, protossido di azoto, esafluoruro di zolfo, idrofluorocarburi e perfluorocarburi).

Con più precisione le Parti dovranno, individualmente o congiuntamente, assicurare che le emissioni antropogeniche globali siano ridotte di almeno il 5% rispetto ai livelli del 1990. Per il raggiungimento di questi obiettivi, i Paesi potranno servirsi di diversi strumenti che intervengono sui livelli di emissioni di gas a livello locale-nazionale oppure transnazionale. Perché il trattato potesse entrare nella pienezza di vigore si richiedeva che fosse ratificato da non meno di 55 nazioni firmatarie, e che le nazioni che lo avessero ratificato fossero protagoniste dell’emissione di almeno il 55% degli inquinanti globali; quest'ultima condizione è stata raggiunta solo nel novembre del 2004, quando anche la Russia ha perfezionato la sua adesione. Nel 2005 hanno firmato anche altri paesi mentre Australia e Stati Uniti hanno firmato ma hanno poi rifiutato di ratif.

28 2.2 Il quadro normativo italiano in materia di risparmio energetico

I problemi riguardanti i consumi energetici stanno attirando sempre più l’attenzione della maggior parte delle Nazioni e negli ultimi anni si sta sviluppando una cultura del risparmio energetico con la possibilità di vedere in esso anche un investimento per la creazione di nuovi posti di lavoro. E’ quindi doveroso porre l’attenzione sulla questione del risparmio energetico e della riduzione dell’impatto ambientale; si cerca, dunque, di ridurre il consumo dell’energia e l’inquinamento dei sistemi energetici, facendone un uso razionale, pur mantenendo un elevato grado di benessere. A tal proposito, in Italia i primi provvedimenti in materia di efficienza energetica degli edifici risalgono agli anni 70. Nel 1976 viene emanata la legge 373 “Norme per il contenimento del consumo energetico per usi termici negli edifici” che impone le prestazioni minime d’isolamento termico degli edifici e di efficienza degli impianti di produzione/termoregolazione del calore. Nel 1991 il panorama legislativo italiano si arricchisce di un nuovo documento, la legge 10, “Norme per l’attuazione del Piano Energetico Nazionale in materia di uso razionale dell’energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili” che traccia la filosofia e le indicazioni generali per il risparmio energetico degli edifici e l’utilizzo delle fonti rinnovabili. Con la legge 10/1991, la certificazione energetica nasce ufficialmente in Italia: l’articolo 30 prevedeva infatti, che venissero emanate le norme per la certificazione, individuando anche i soggetti abilitati; l’acquirente e il locatario avrebbero dovuto prender conoscenza del certificato di collaudo e della certificazione energetica nei casi compravendita e di locazione. Tuttavia, la lungimiranza di tale legge si è arrestata per la mancanza dei decreti attuativi. Nel 1993 è stato emanato il D.P.R. 412 “Regolamento recante norme per la progettazione, l’istallazione, l’esercizio e la manutenzione degli impianti termici degli edifici per contenere i consumi di energia”. A partire dal 2005, il panorama legislativo in materia di rendimento energetico degli edifici subisce una radicale e rapida trasformazione con il d.lgs n.192, “Attuazione della direttiva 2002/91/CE relativo al rendimento energetico nell’edilizia”.

Il decreto, modificato ed integrato dopo appena un anno con il d.lgs. 311/2006 riporta un elenco di prescrizioni che disciplinano l’attività edilizia; oggetto di tali prescrizioni è il sistema edificio-impianto degli edifici di nuova costruzione e quelli soggetti ad intervento di ristrutturazione o ampliamento. Tra i contenuti di maggior rilievo emerge anche l’introduzione dell’obbligo della certificazione energetica rimandando, tuttavia, ad appositi decreti attuativi.

29 Tali decreti sono stati pubblicati nel 2009, ovvero oltre i termini previsti dal d.lgs. 192/2005: con il D.P.R. n.59 del 2 aprile 2009 si sono definiti i criteri di attuazione mentre con il d.m. del 26 giugno 2009 sono state emanate le “Linee guida nazionali sulla certificazione energetica degli edifici”. Il D.P.R. 59/2009 non modifica l’assetto del d.lgs. 192/2005 ma introduce nuovi limiti di legge in merito alle prestazioni energetiche per il raffrescamento (considerando esclusivamente l’involucro edilizio), nel caso di edifici di nuova costruzione e di ristrutturazione dell’esistente, e definisce come metodo di calcolo le UNI TS 11300, alle quali devono uniformarsi i diversi strumenti di calcolo; per quando riguarda gli aspetti relativi alla certificazione energetica, il D.P.R. rimanda alla pubblicazione delle Linee guida nazionali.

Il 3 marzo 2011 viene emanato il decreto legislativo n.28, il quale definisce gli strumenti, i meccanismi, gli incentivi e il quadro istituzionale, finanziario e giuridico, necessari per il raggiungimento degli obiettivi fino al 2020 in materia di energia da fonti rinnovabili, sul consumo finale di energia e di quota di energia da fonti rinnovabili nei trasporti. Il 4 giugno 2013 viene emanato il decreto legge n. 63, coordinato con la legge di conversione del 3 agosto 2013, n.90, il quale enuncia le “Disposizioni urgenti per il recepimento della direttiva 2010/31/UE del Parlamento europeo e del Consiglio del 19 maggio 2010, sulla prestazione energetica nell’edilizia per la definizione delle procedure d’infrazione avviate dalla Commissione europea, nonché altre disposizioni in materia di coesione sociale”. Il D.L. 63/2013 apporta sostanziali modifiche al D.lgs. 192/2005 partendo proprio dalle finalità; ovvero il decreto vuole promuovere il miglioramento della prestazione energetica degli edifici tenendo conto delle condizioni climatiche esterne, nonché delle prescrizioni relative al clima degli ambienti interni e all’efficacia sotto il profilo economico.

Tra le novità più rilevanti del decreto legge troviamo l’introduzione di un nuovo documento, l’Attestato di Prestazione Energetica (APE) dell’edificio “… redatto nel rispetto delle norme contenute nel presente decreto e rilasciato da esperti qualificati e indipendenti che attesta la prestazione energetica di un edificio attraverso l’utilizzo di specifici descrittori e fornisce raccomandazioni per il miglioramento dell’efficienza energetica”. La prestazione energetica di un edificio si definisce come la “quantità annua di energia primaria effettivamente consumata o che si prevede che possa essere necessaria per soddisfare, con un uso standard dell’immobile, i vari bisogni energetici dell’ edificio, la climatizzazione invernale ed estiva, la preparazione dell’acqua calda per usi igienici sanitari, la ventilazione e, per il settore terziario, l’illuminazione, gli

30 impianti ascensori e scali mobili. Tale quantità viene espressa da uno o più descrittori che tengono conto del livello di isolamento dell’edificio e delle caratteristiche tecniche ed installazioni degli impianti tecnici. La prestazione energetica può essere espressa in energia primaria non rinnovabile, rinnovabile, o totale come somma delle precedenti”. Il D.L. si applica sia all’edilizia pubblica sia all’edilizia privata e riguarda le nuove costruzioni, le ristrutturazioni importanti e gli interventi di riqualificazione energetica. Infine il decreto legge 63/2013 stabilisce nuovi obiettivi per la diffusione degli Edifici ad Energia Quasi Zero; a partire dal 31 dicembre 2018, gli edifici di nuova costruzione occupati da pubbliche amministrazioni e di proprietà di queste ultime, ivi compresi gli edifici scolastici, devono essere edifici a energia quasi zero, mentre dal 1° gennaio 2021 la predetta disposizione è estesa a tutti gli edifici di nuova costruzione.

Le Direttive vincolano le scelte progettuali, le quali devono tener conto contemporaneamente di due aspetti: il “sistema edificio” e il “sistema impianto”.

Sotto il nome di risparmio energetico si annoverano varie tecniche atte a ridurre i consumi dell'energia necessaria allo svolgimento delle attività umane. Il risparmio può essere ottenuto sia modificando i processi energetici in modo che ci siano meno sprechi, sia trasformando l'energia da una forma all'altra in modo più efficiente. Per far sì che si possa avere questo risparmio attraverso la trasformazione di energia, bisogna effettuare il calcolo del fabbisogno energetico dell’edificio dunque il primo intervento da eseguire per l'abbattimento dei consumi è aumentare la capacità isolante dell’involucro edilizio: pareti, solai, coperture e finestre. In altre parole, non permettere che l'energia prodotta dal sistema di generazione si disperda verso l'esterno o ambienti freddi. Solo dopo questo fondamentale passo, è possibile valutare sistemi ed impianti ad alta efficienza o alimentati da fonti rinnovabili, che permettano di aumentare i vantaggi di riduzione dei consumi ed un comfort ideale per chi vi abita.

Dunque per realizzare un edificio energeticamente efficiente è stato realizzato un involucro edilizio in grado di minimizzare le dispersioni termiche interne, con lo scopo finale di realizzare un sistema impianto in grado di migliorare le prestazioni energetiche del sistema fino a raggiungere le classi più elevate in modo da soddisfare le condizioni desiderate di comfort termo igrometrico e benessere psico-fisico.

L’edificio presenta una superficie perimetrale di 1152 m2

con destinazione d’uso uffici; gli accessi agli utenti sono disposti a Sud-Ovest. La facciata principale è quasi completamente finestrata. Ogni ufficio è fornito di 2 finestre. Il solaio di copertura è piano non calpestabile. Gli infissi sono in alluminio con vetrocamera, l’impianto di

31 riscaldamento ha come generatore una Pompa di calore e come emissione pannelli a pavimento annegati.

Secondo la Classificazione ai sensi del D.Lgl del 19 agosto n°192, l’edificio è da considerarsi incluso nella categoria E.2 “Edificio adibito a uffici e assimilabili”.

Dati dell’unità immobiliare

Certificazione ai sensi del D.Lgs. 19 agosto 2005 n°192 e successive modificazioni E.2

Volume lordo m3 985,60

Superficie utile m2 1152

Superficie disperdente m2 1504

Valore di progetto della temperatura interna invernale 20°C

Dati climatici

Comune Arezzo

Zona vento 3

Zona geografica Italia centrale e settentrionale Temperatura a bulbo secco 31,50 °C

Temperatura a bulbo umido 24,19 °C

Umidità relativa 55%

Latitudine Nord 43,7142°

Escursione termica giornaliera 10 °C Escursione termica annuale 31,50 °C

Fattore di foschia 1

Mese di calcolo Luglio

Si riportano inoltre le schede tecnice della composizione degli elementi strutturali dell’involucro, con i relativi valori delle trasmittanze, resistenze, conduttività, spessore, capacità termica e massa volumica:

Parete verticale (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10 Mattoni pieni, forati, leggeri 0.247 0.080 0 600.000 840 8 Alluminio 220 0.005 0 2700.000 880 999999

32 Aria in quiete 0.026 0.040 0 1.300 1008 1 Alluminio 220 0.005 0 2700.000 880 999999 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.05 0 15.000 1450 30 Blocco forato 0 0.200 1.667 765.000 840 8 Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10

Figura 2.1: Stratigrafia parete e caratteristiche termiche.

Pilastri (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.100 0 15.000 1450 30 Cls armato 5.000 0.400 0 2400.000 1000 64 Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10

Figura 2.2: Stratigrafia pilastri e caratteristiche termiche.

Travi (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.100 0 15.000 1450 30 Cls armato 5.000 0.300 0 2400.000 1000 64 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.100 0 15.000 1450 30 Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10

Figura 2.3: Stratigrafia travi e caratteristiche termiche.

Solaio interno (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Pavimentazione 1.470 0.015 0 1700.000 1000 0

33 interna Malta di cemento 1.400 0.020 0 2000.000 1000 0 Massetto in cls alleggerito 0.580 0.020 0 400.000 1000 0 Malta di cemento 0.606 0.020 0 2000.000 1000 0 Soletta 0.601 0.160 0 900.000 1000 0 Intonaco esterno 0.900 0.020 0 1800.000 1000 0

Figura 2.4: Stratigrafia solaio e caratteristiche termiche.

Copertura piana non calpestabile (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Intonaco di gesso isolante 0.180 0.020 0 600.000 1000 10 Alluminio 220.000 0.005 0 2700.000 880 999999 Aria in quiete 0.026 0.040 0 1.300 1008 1 Alluminio 220.000 0.005 0 2700.000 880 999999 Cls con aggregati naturali 1.263 0.050 0 2000.000 1000 65 Mattoni pieni,forati,leggeri 0.718 0.240 0 1800.000 840 8 Cls armato 5.000 0.040 0 2400.000 1000 64 Malta di cemento 1.400 0.020 0 2000.000 1000 38 Bitume 0.170 0.010 0 1200.000 920 999999

Figura 2.5: Stratigrafia copertura e caratteristiche termiche.

Finestre lato SUD-OVEST

Larghezza [m] 1.1

Altezza [m] 1.3

Area del vetro, Ag [m2] 1.2

Area del telaio, Af [m2] 0.23

Lunghezza vetro, Lg [m] 4.40

Area pannelli, Ap [m2] 0

Numero ante 1

Resistenza superficiale interna [m2·K/W] 0.13 Resistenza superficiale esterna [m2·K/W] 0.04 Lunghezza o perimetro visibile della superficie vetrata, Lg [m] 1.8 Minima distanza tra sezioni di metallo con taglio termico [mm] 20 Trasmittanza termica del telaio, Uf [W/m2·K] 2.755

34

Trasmittanza termica dei pannelli, Up [W/m2·K] 5.1

Conduttività del vetro [W/m·K] 1

Emissività 0.837

Spessore [m] 20

Trasmittanza termica del vetro, Ug [W/m2·K] 5.263 Emissività della superficie esterna 0.837

Figura 2.6: Componente finestrato e caratteristiche termiche (lato sud-ovest)

Finestre lato NORD-OVEST

Larghezza [m] 0.5

Altezza [m] 1.5

Area del vetro, Ag [m2] 0.56

Area del telaio, Af [m2] 0.19

Lunghezza vetro, Lg [m] 3.60

Area pannelli, Ap [m2] 0

Numero ante 1

Resistenza superficiale interna [m2·K/W] 0.13 Resistenza superficiale esterna [m2·K/W] 0.04 Lunghezza o perimetro visibile della superficie vetrata, Lg [m] 1.8 Minima distanza tra sezioni di metallo con taglio termico [mm] 20 Trasmittanza termica del telaio, Uf [W/m2·K] 2.755 Trasmittanza termica dei pannelli, Up [W/m2·K] 5.1

Conduttività del vetro [W/m·K] 1

Emissività 0.837

Spessore [m] 20

Trasmittanza termica del vetro, Ug [W/m2·K] 5.263 Emissività della superficie esterna 0.837

Figura 2.7: Componente finestrato e caratteristiche termiche (lato nord-ovest).

Finestre lato SUD-EST/NORD-EST

Larghezza [m] 0.5

Altezza [m] 0.6

Area del vetro, Ag [m2] 0.20

Area del telaio, Af [m2] 0.10

Lunghezza vetro, Lg [m] 1.80

Area pannelli, Ap [m2] 0

Numero ante 1

Resistenza superficiale interna [m2·K/W] 0.13 Resistenza superficiale esterna [m2·K/W] 0.04 Lunghezza o perimetro visibile della superficie vetrata, Lg [m] 1.8

35

Minima distanza tra sezioni di metallo con taglio termico [mm] 20 Trasmittanza termica del telaio, Uf [W/m2·K] 2.755 Trasmittanza termica dei pannelli, Up [W/m2·K] 5.1

Conduttività del vetro [W/m·K] 1

Emissività 0.837

Spessore [m] 20

Trasmittanza termica del vetro, Ug [W/m2·K] 5.263 Emissività della superficie esterna 0.837

Figura 2.8: Componente finestrato e caratteristiche termiche (lato sud-est/nord-est).

Per valutare i consumi energetici legati al riscaldamento dell’edificio si è ricorso all’utilizzo del software “MasterClima MC11300”. E’ bene ricordare che i calcoli finalizzati alle verifiche del D.Lgs 19 agosto 2005 n°192 e successive modificazioni, devono essere effettuati adottando il periodo di riscaldamento convenzionale cioè il periodo che va dal 1 Novembre al 15 Aprile. I calcoli finalizzati alla diagnosi energetica o alla verifica dei consumi, devono essere effettuati adottando il periodo di riscaldamento reale, poiché da esso dipende il consumo di energia primaria dello specifico sistema edificio-impianto. Il periodo di riscaldamento reale è quello durante il quale è necessario fornire calore attraverso l’impianto di riscaldamento per mantenere all’interno dell’edificio una temperatura ambiente non inferiore a quella di progetto. Allo stato attuale, per riscaldare l’edificio si fa uso di una pompa di calore con Potenza Nominale 12 kW. L’emissione è affidata a pannelli a pavimento annegati.

Per capire il consumo reale per il riscaldamento allo stato attuale (anche se in modo approssimato) abbiamo tenuto conto dei seguenti risultati ottenuti dall’analisi (Fig. 3.9):

Indicatori di prestazione energetica del fabbricato

Superficie disperdente [m2] 1504

Superficie utile [m2] 1152

Rapporto superficie trasparente/superficie utile [1/m] 0.062

Fabbisogno di energia termica per il riscaldamento [kWh] 13696

Fabbisogno di energia primaria non rinnovabile [kWh] 6061

Rendimento del sottosistema di emissione ηe 0.95

Rendimento del sottosistema di regolazione ηrg 0.97

Rendimento del sottosistema di distribuzione ηd 0.97

Efficienza media stagionale dell’impianto di riscaldamento ηH 2.26

Dispersioni per locale [W] 15081.31

36 2.3 Classificazione energetica dell’edificio

Per classificare un edificio dal punto di vista energetico occorre considerare il fabbisogno di energia complessivo dell’edificio, ovvero:

 il fabbisogno di energia primaria per la climatizzazione invernale ed estiva, per la produzione di acqua calda sanitaria e per l’illuminazione artificiale;

 l’energia erogata e l’energia ausiliaria dei sistemi impiantistici, inclusi i sistemi per l’autoproduzione.

Il parametro utilizzato è l’Indice di prestazione energetica globale non rinnovabile, EPgl,nren, definito come la differenza tra fabbisogno di energia primaria complessivo

dell’edificio fratto la superficie utile (EPgl) ed il fabbisogno di energia primaria

proveniente da fonti rinnovabili (EPgl,ren) in kWh/(m2·anno);

EPgl,nren = EPgl - EPgl,ren

L’indice di prestazione energetica globale, EP globale, è ottenuto come: EPgl = EPh + EPACS + EPc + EPv + EPi + EPt

dove:

EPh = indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale (hot)

EPacs= indice di prestazione energetica per la produzione di Acqua Calda Sanitaria

EPc= indice di prestazione energetica per la climatizzazione estiva (cold)

EPv= indice di prestazione energetica per la ventilazione meccanica

EPi= indice di prestazione energetica per l’illuminazione artificiale

EPt= indice di prestazione energetica per il trasporto di persone o cose

Attualmente le linee guida tengono conto del riscaldamento, del raffrescamento e dell’ A.C.S. in quanto voci preponderanti nel bilancio energetico di un’abitazione:

EPglobale = EPh + EPc + EPacs

Nel caso in esame, l’edificio rientra nella categoria E.2, quindi EPglobale è definito come

rapporto del fabbisogno di energia primaria complessiva dell’edificio e la superficie netta riscaldata kWh/m2·anno. I risultati ottenuti con l’analisi fatta con il software “MasterClima MC11300” sono i seguenti e vengono calcolati secondo D.Lgs. 19 agosto 2005 n°192 e successive modificazioni :

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EPHnd kWh/m2·anno 11.889

EPCnd,limite kWh/m2·anno 8.438

EPCnd kWh/m

2

·anno 26.474 EPCnd,limite kWh/m2·anno 24.654

Classe energetica - A3

La classe energetica dell’edificio è determinata per mezzo del confronto con una scala di classi prefissate (Fig.2.10), ognuna delle quali rappresenta un intervallo di prestazione energetica definito.

Figura 2.10: Scala di classificazione degli edifici sulla base dell’EPgl,nren

Sulla base delle considerazioni sin qui fatte, l’edificio in oggetto si attesta in classe energetica A3 (Fig.2.11).

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CAPITOLO 3

ANALISI DINAMICA DELLE PARETI VENTILATE TRAMITE I

SOFTWARE DESIGNBUILDER ED ENERGYPLUS

Le fasi operative che hanno costituito il presente studio hanno contribuito allo studio della parete ventilata per quanto riguarda il comfort ambientale. A tal fine, il lavoro è stato articolato nelle seguenti fasi:

 Studio della letteratura in materia di facciate ventilate e di analisi computazionale fluidodinamica di queste. Ciò per prevedere i risultati attendibili;

 Studio della costruzione adibito ad uffici, situato ad Arezzo. In particolare è stata effettuata un’analisi della parete ventilata di altezza di 10 m, al fine di valutarne il comportamento termo-fisico;

 Attività di simulazione della parete ventilata su software di modellazione complessa (DesignBuilder, EnergyPlus) in grado di restituire affidabili risultati in merito allo studio del comportamento termoigrometrico di tale elemento costruttivo;

 Analisi dei dati computazionali ottenuti che hanno consentito di effettuare delle valutazioni circa il comportamento termo-fisico dell’edificio con la presenza o no della parete ventilata.

3.1 Impostazione dell’edificio sul software DesignBuilder

Attraverso il software DesignBuilder è stato realizzato il modello in 3D (Fig. 3.1) della struttura, impostando gli strati dei vari elementi ai quali corrispondono materiali a cui sono assegnate delle proprietà di conduttività, spessore,conduttanza, massa volumica e capacità termica specifica:

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Parete verticale (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10 Mattoni pieni, forati, leggeri 0.247 0.080 0 600.000 840 8 Alluminio 220 0.005 0 2700.000 880 999999 Aria in quiete 0.026 0.040 0 1.300 1008 1 Alluminio 220 0.005 0 2700.000 880 999999 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.05 0 15.000 1450 30 Blocco forato 0 0.200 1.667 765.000 840 8 Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10

Pilastri (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.100 0 15.000 1450 30 Cls armato 5.000 0.400 0 2400.000 1000 64 Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10

Travi (stratigrafia dall’interno verso l’esterno)

Descrizione Conduttività [W/(m·K)] Spessore [m] Conduttanza [W/(m2·K)] Massa volumica [kg/m3] Capacità termica specifica [J/(kg·K)] μ Intonaco di calce e gesso 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.100 0 15.000 1450 30 Cls armato 5.000 0.300 0 2400.000 1000 64 Isolante in polistirene espanso 0.045 0.100 0 15.000 1450 30 Intonaco 0.700 0.020 0 1400.000 1000 10