lezioni del laboratorio di progettazione tecnica e … · i valori sono riportati sulla norma uni...
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LEZIONI DEL LABORATORIO DI PROGETTAZIONE TECNICA E
STRUTTURALE 2014-15
L’INVOLUCRO OPACO
1. LA TRASMITTANZA TERMICA
La grandezza più importante per caratterizzare il comportamento termico dell’involucro edilizio in
condizioni invernali è la trasmittanza. Questa è definita come la quantità di calore nell’unità di
tempo che attraversa una parete di superficie unitaria in virtù di una differenza di temperatura fra
interno ed esterno pari a 1 K.
La definizione stessa di trasmittanza presuppone che il flusso termico sia monodimensionale e che
le condizioni siano stazionarie, ovvero la differenza di temperatura fra interno ed esterno sia
costante nel tempo.
Nella realtà non è mai così, ma le condizioni stazionarie approssimano sufficientemente bene la
situazione invernale più sfavorevole, ovvero l’assenza del sole.
Figura 1: trasmittanza termica di una parte senza e con isolamento termico
Il flusso di calore che attraversa la parete nelle condizioni suddette è:
Dove Q [W] è il flusso di calore nell’unità di tempo, A
è la trasmittanza, Ti [°C] è la temperatura interna, supposta uguale a quella dell’aria interna, e T
[°C] è la temperatura esterna, supposta uguale a quella dell’aria esterna.
Per il calcolo della trasmittanza si utilizza la formula:
Dove Rsi e Rse sono le resistenze ter
dell’iesimo strato della parete, s i
Rsi e Rse definiscono lo scambio di calore per irraggiamento e convezione tra le superfici limite
della parete e gli ambienti rispettivamente interno ed esterno.
I valori sono riportati sulla norma UNI 6946:
Figura 2: valori di Rsi e Rse come riportati nella norma UNI 6946
La conducibilità termica λ è una caratteristica del materiale che costituisce lo strato della parete. Si
riportano di seguito alcuni valori:
l flusso di calore che attraversa la parete nelle condizioni suddette è:
è il flusso di calore nell’unità di tempo, A [m²] è la superficie della parete, U
è la temperatura interna, supposta uguale a quella dell’aria interna, e T
è la temperatura esterna, supposta uguale a quella dell’aria esterna.
Per il calcolo della trasmittanza si utilizza la formula:
Dove Rsi e Rse sono le resistenze termiche liminari [m2K/W], λi è la conducibilità termica [W/mk]
è lo spessore dell’iesimo strato della parete.
Rsi e Rse definiscono lo scambio di calore per irraggiamento e convezione tra le superfici limite
e gli ambienti rispettivamente interno ed esterno.
I valori sono riportati sulla norma UNI 6946:
: valori di Rsi e Rse come riportati nella norma UNI 6946
è una caratteristica del materiale che costituisce lo strato della parete. Si
riportano di seguito alcuni valori:
(1)
(2
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è la superficie della parete, U [W/m²K]
è la temperatura interna, supposta uguale a quella dell’aria interna, e Te
è la conducibilità termica [W/mk]
Rsi e Rse definiscono lo scambio di calore per irraggiamento e convezione tra le superfici limite
: valori di Rsi e Rse come riportati nella norma UNI 6946
è una caratteristica del materiale che costituisce lo strato della parete. Si
(1)
(2)
I materiali da costruzione hanno valori di conducibilità relativamente bassi. In particolare i
cosiddetti “isolanti” hanno valori nell’ordine di qualche
dedurre dalla formula (2) minore è la conducibilità degli strati costituenti la parete e minore sarà
anche il calore che attraversa la medesima. Per questo motivo, per ridurre le dispersioni energetiche
dell’involucro verso l’esterno, è bene realizzare pareti con una trasmittanza più bassa possibile.
La conducibilità termica non dipende dallo spessore del materiale, invece la resistenza termica ne
tiene conto essendo definita da:
Questa relazione ci dice che il potere isolante di uno strato non dipende solo dalla conducibilità, ma
anche dal suo spessore. Strati di materiale con una conducibilità non molto bassa, ma con spessori
importanti (es: laterizi porizzati) possono comunque garantire basse trasmittanze
Uno strato di materiale all’interno di una chiusura deve essere considerato o attraverso la sua
conducibilità e il suo spessore o direttamente attraverso la sua resistenza. Il secondo caso è
preferibile per i materiali composti (es: lat
Nei calcoli della trasmittanza non bisogna mai confondere conducibilità con resistenza termica.
Sostanza
diamante
argento
rame
oro
alluminio
ottone
platino
vetro
acqua
laterizi
lana
vermiculite
polistirolo espanso
I materiali da costruzione hanno valori di conducibilità relativamente bassi. In particolare i
cosiddetti “isolanti” hanno valori nell’ordine di qualche centesimo di W/mK. Come è possibile
dedurre dalla formula (2) minore è la conducibilità degli strati costituenti la parete e minore sarà
anche il calore che attraversa la medesima. Per questo motivo, per ridurre le dispersioni energetiche
rso l’esterno, è bene realizzare pareti con una trasmittanza più bassa possibile.
La conducibilità termica non dipende dallo spessore del materiale, invece la resistenza termica ne
il potere isolante di uno strato non dipende solo dalla conducibilità, ma
anche dal suo spessore. Strati di materiale con una conducibilità non molto bassa, ma con spessori
aterizi porizzati) possono comunque garantire basse trasmittanze
Uno strato di materiale all’interno di una chiusura deve essere considerato o attraverso la sua
conducibilità e il suo spessore o direttamente attraverso la sua resistenza. Il secondo caso è
preferibile per i materiali composti (es: laterizi forati).
Nei calcoli della trasmittanza non bisogna mai confondere conducibilità con resistenza termica.
Sostanza W·m-1·K-1
diamante 1000 - 2600
argento 430
rame 390
oro 320
alluminio 236
ottone 111
platino 70
vetro 1
acqua distillata 0,6
laterizi 0,8
lana 0,05
vermiculite 0,046
polistirolo espanso 0,03
(3)
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I materiali da costruzione hanno valori di conducibilità relativamente bassi. In particolare i
centesimo di W/mK. Come è possibile
dedurre dalla formula (2) minore è la conducibilità degli strati costituenti la parete e minore sarà
anche il calore che attraversa la medesima. Per questo motivo, per ridurre le dispersioni energetiche
rso l’esterno, è bene realizzare pareti con una trasmittanza più bassa possibile.
La conducibilità termica non dipende dallo spessore del materiale, invece la resistenza termica ne
il potere isolante di uno strato non dipende solo dalla conducibilità, ma
anche dal suo spessore. Strati di materiale con una conducibilità non molto bassa, ma con spessori
aterizi porizzati) possono comunque garantire basse trasmittanze dell’intera parete.
Uno strato di materiale all’interno di una chiusura deve essere considerato o attraverso la sua
conducibilità e il suo spessore o direttamente attraverso la sua resistenza. Il secondo caso è
Nei calcoli della trasmittanza non bisogna mai confondere conducibilità con resistenza termica.
2. I PONTI TERMICI
Un ponte termico è una porzione dell’involucro in cui il flusso non è più monodirezionale. Può
essere geometrico o materiale:
Figura 3: ponti termici geometrici (a sinistra) e materiali
Un ponte termico si definisce geometrico quando è dovuto ad una discontinuità geometrica senza
variazione di materiali nell’involucro, si definisce material
dall’accoppiamento di materiali diversi (es: muratura in laterizio con isolamento a cappotto e soletta
in c.a.).
Per i ponti termici lineari non si può
ma il calore disperso nell’unità di tempo deve essere definito dalla:
Dove ψ è la trasmittanza termica lineica [W/mK] e
Alcuni valori di ψ possono essere desunti dalle tabelle della norm
L’attuale norma di calcolo sulle prestazioni energetiche degli edifici (UNI 11300 TS) permette di
considerare le dispersioni attraverso i ponti termici come percentuale delle dispersioni attraverso le
superfici omogenee, in funzione del tipo d
Ai fini progettuali comunque la corretta soluzione dei ponti termici è di fondamentale importanza.
Essi infatti si rivelano quasi sempre punti dell’involucro fortemente disperdenti a causa dell’eleva
Un ponte termico è una porzione dell’involucro in cui il flusso non è più monodirezionale. Può
: ponti termici geometrici (a sinistra) e materiali
termico si definisce geometrico quando è dovuto ad una discontinuità geometrica senza
variazione di materiali nell’involucro, si definisce materiale invece quando nasce
dall’accoppiamento di materiali diversi (es: muratura in laterizio con isolamento a cappotto e soletta
non si può definire la trasmittanza come riportato al
ma il calore disperso nell’unità di tempo deve essere definito dalla:
mittanza termica lineica [W/mK] e L è la lunghezza del ponte termico
possono essere desunti dalle tabelle della norma UNI 14683.
L’attuale norma di calcolo sulle prestazioni energetiche degli edifici (UNI 11300 TS) permette di
considerare le dispersioni attraverso i ponti termici come percentuale delle dispersioni attraverso le
superfici omogenee, in funzione del tipo di involucro ed esclusivamente per gli edifici esistenti
Ai fini progettuali comunque la corretta soluzione dei ponti termici è di fondamentale importanza.
Essi infatti si rivelano quasi sempre punti dell’involucro fortemente disperdenti a causa dell’eleva
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Un ponte termico è una porzione dell’involucro in cui il flusso non è più monodirezionale. Può
termico si definisce geometrico quando è dovuto ad una discontinuità geometrica senza
e invece quando nasce
dall’accoppiamento di materiali diversi (es: muratura in laterizio con isolamento a cappotto e soletta
al paragrafo precedente,
L è la lunghezza del ponte termico.
14683.
L’attuale norma di calcolo sulle prestazioni energetiche degli edifici (UNI 11300 TS) permette di
considerare le dispersioni attraverso i ponti termici come percentuale delle dispersioni attraverso le
ed esclusivamente per gli edifici esistenti.
Ai fini progettuali comunque la corretta soluzione dei ponti termici è di fondamentale importanza.
Essi infatti si rivelano quasi sempre punti dell’involucro fortemente disperdenti a causa dell’elevata
(3)
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temperature superficiale che possono assumere durante la stagione invernale, a causa
dell’interruzione dello strato isolate (se esistente).
Tramite immagini termografiche è possibile apprezzare qualitativamente l’entità di queste
dispersioni:
Figura 4: termografia di un edificio prima di un intervento di coibentazione della facciata
Figura 5: termografia di un edificio dopo un intervento di coibentazione della facciata, ma senza correzione dei ponti termici
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Dalle immagini sopra riportate è evidente come l’importanza dei ponti termici diventa maggiore per
quegli edifici il cui involucro ha delle prestazioni termiche elevate. In edifici molto disperdenti
l’importanza percentuale dei ponti termici è modesta, essa aumenta invece in edifici molto
coibentati. Alla luce delle attuali normative sul risparmio energetico la corretta soluzione dei ponti
termici diventa quindi fondamentale.
3. LA TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA
Se durante l’inverno è possibile trascurare, a favore di sicurezza, l’influenza del sole sul
comportamento dell’involucro, non altrettanto è possibile fare durante l’estate. In questo periodo
infatti l’irraggiamento solare è una delle principali cause di surriscaldamento, prescinderne vorrebbe
dire sovrastimare la prestazioni dell’involucro.
È stato più vote accennato alla variabilità temporale dell’azione del sole, che cambia durante le
stagioni e durante il giorno. L’effetto del sole sull’involucro è dipendente dal tempo e bisogna
quindi assumere un modello di trasmissione del calore dinamico, sebbene pur sempre
monodirezionale.
I principali modelli di calcolo suppongono una forzante esterna combinata aria-sole che abbia un
andamento sinusoidale.
La variazione di temperatura sulla superficie esterna dell’involucro opaco causa una variazione
sulla superficie interna che non è però di pari ampiezza ed è ritardata nel tempo.
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Figura 6: rappresentazione schematica della variazione di temperatura sulla faccia interna ed esterna dell’involucro opaco
Assunto questo modello è possibile definire alcune grandezze:
Lo sfasamento (∆t) è l’intervallo di tempo che intercorre tra un massimo dell’onda termica
sulla parete esterna e un massimo sulla parte interna. Le pareti più performanti possono
avere anche sfasamenti di 24 h.
Il fattore di attenuazione (f) invece è definito come il rapporto tra l’ampiezza dell’onda
termica sulla parete interna e l’ampiezza su quella esterna. È un valore adimensionale che
varia tra 1 e 0.
Calcolare questi valori non è semplice (si veda UNI 13786), ma possiamo comunque affermare che
dipendono da:
• Densità
• Spessore
• Calore specifico
di ogni singolo strato della parete, nonché dalla loro posizione reciproca.
La normativa attuale (DPR 59/09) introduce il concetto di trasmittanza periodica che è data dal
prodotto di U·f
Una parete efficiente per il funzionamento estivo dovrà quindi avere uno sfasamento maggiore
possibile, un’attenuazione minore possibile e conseguentemente, se anche le prestazioni in
condizioni invernali sono elevate, una bassa trasmittanza periodica.
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4. I REQUISITI DI LEGGE PER L’INVOLUCRO
La normativa nazionale per i requisiti di prestazione energetica degli edifici è molto articolata e non
esiste un testo unico. A ciò deve aggiungersi la possibilità delle Regioni di legiferare in maniera
autonoma in virtù della riforma del Titolo V della Costituzione del 2001. Il panorama normativo è
di conseguenza eccessivamente complesso per essere trattato esaustivamente in questo corso.
Di seguito verranno perciò date alcune indicazioni di massima per lo svolgimento dell’esercitazione
progettuale, in particolare per la scelta degli elementi costruttivi dell’involucro.
La principale normativa di riferimento è riportata nell’immagine seguente.
Figura 7: l’evoluzione della normativa italiana in materia di requisiti energetici degli edifici.
In rosso le norme di riferimento principali
I requisiti di prestazione energetica richiesti cambiano a seconda del tipo di intervento previsto, che
varia dalla realizzazione di un nuovo edificio alla semplice sostituzione del generatore di calore, ed
in funzione della destinazione dell’edificio, secondo le definizioni del DPR 412/93.
Figura 8: tipi di intervento previsti dal Dlgs 192/05
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Figura 9: categorie di edifici definite dal DPR 412/93
Per gli edifici di nuova costruzione ascrivibili alle categorie dalla E.1 alla E.4, i requisiti di legge
possono essere così riassunti:
• Verifica indice prestazione energetica invernale EPi<EPilim o verifica alternativa (se Sup
trasp/Sup utile < 0,18) della trasmittanza elementi opachi verticali, orizzontali, chiusure
trasparenti e vetri di ambienti riscaldati.
• Verifica indice di prestazione energetica dell’involucro per il raffrescamento Epe, invol ≤
Epe, invol lim
• Verifica trasmittanza divisori tra edifici o unità immobiliari o tra locali non riscaldati
ed esterno
• Verifica condensa superficiale e interstiziale
• Verifica inerzia termica involucro
• Valutazione efficacia sistemi schermanti, presenza di ventilazione naturale o in alternativa di
ventilazione meccanica
• Presenza di sistemi schermanti esterni o vetri con g ≤0,5
• Dispositivi regolazione automatica temperatura ambiente
• Fonti rinnovabili per produzione del 50% del fabbisogno di ACS
• Fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica
• Installazione di impianti fotovoltaici
• Predisposizione per reti di teleriscaldamento se presenti
• Verifica comunque obbligatoria delle trasmittanze dell’involucro esterno se presenti
impianti a biomassa
• Obbligo trattamento ACS
• Per gli edifici pubblici i limiti di EPi e di trasmittanza vanno ridotti del 10%
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Per quanto riguarda i requisiti relativi all’involucro opaco, ai fini dell’attività del Laboratorio, si
ritiene sufficiente la verifica di quanto riportato in grassetto e sottolineato, anche se non
strettamente corrispondente con la normativa. In particolare per la scelta delle soluzioni costruttive
relative all’involucro opaco dovranno essere verificati:
Il rispetto della trasmittanza degli elementi opachi verticali, orizzontali, chiusure trasparenti
e vetri di ambienti riscaldati secondo i limiti riportati nel seguito
Il rispetto della trasmittanza dei divisori tra edifici o unità immobiliari o tra locali non
riscaldati ed esterno secondo i valori riportati nel seguito
I valori di inerzia termica dell’involucro secondo i limiti riportati nel seguito
Che per gli edifici pubblici i limiti di trasmittanza siano ridotti del 10%
Si riportano di seguito le tabelle relative alle trasmittanze limite:
Figura 10: trasmittanze termiche involucro di ambienti riscaldati verso l’esterno o verso ambienti non riscaldati.
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Per quanto riguarda la trasmittanza di chiusure orizzontali di base contro terra, sempre ai soli fini
del Laboratorio, è richiesta la verifica senza considerare l’apporto del terreno (a differenza di
quanto indicato dalla UNI 13370).
Per i divisori tra edifici o unità immobiliari o tra locali non riscaldati e l’esterno il limite da
rispettare, indipendentemente dalla zona climatica, è di:
U≤0,8 W/m²K
Per quanto riguarda l’inerzia termica dell’involucro (funzionamento dinamico estivo) la normativa
prescrive di “verificare che (ad esclusione della zona F) per le località in cui il valore medio mensile
dell’irradianza sul piano orizzontale nel mese di massima insolazione Im, s ≥ 290 W/m² :
Per le pareti opache verticali ad eccezione di quelle nel quadrante Nord-ovest/Nord/Nord-
Est:
- la massa superficiale Ms (calcolata secondo la definizione dell’All.A del Dlgs
192/05 come massa superficiale della parete opaca compresa la malta dei giunti ed
esclusi gli intonaci) sia superiore di 230 kg/m²
- o in alternativa che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica (YI E)
sia inferiore a 0,12 W/m²k
Per tutte le pareti opache orizzontali ed inclinate:
- che il valore del modulo della trasmittanza termica periodica (YI E) sia inferiore a
0,20 W/m²K
Nel progetto del Laboratorio questa verifica è richiesta (indipendentemente dai valori di irradianza
solare media mensile), ma può essere omesso il calcolo della YIE assumendo per validi i valori
riportati nelle schede tecniche dei prodotti da costruzione.
Si ricorda inoltre che per tutti gli edifici pubblici i valori limite delle trasmittanze sono ridotti del
10%.