Tradizione e innovazione dei materiali per l`isolamento

Prodotto
Tradizione e innovazione
dei materiali per l’isolamento
termico di pareti storiche
Restauro conservativo e risanamento energetico
Elena Lucchi
Senior Researcher,
EURAC Research, Bolzano
Docente Incaricato,
Politecnico di Milano
L’architettura antica si basa sullo sfruttamento
delle capacità di isolamento, sfasamento, attenuazione e inerzia termica legate alla forma
della costruzione e alle proprietà dei materiali di provenienza locale. Strutture compatte,
pareti spesse, zone filtro, fronti settentrionali
chiusi e meridionali aperti, materiali con caratteristiche di isolamento o di inerzia termica,
finestre ridotte a nord e grandi a sud, presenza
di tende e scuri lignei sulle aperture, sono
le caratteristiche fondamentali degli edifici
antichi. In questo ambito, l’involucro edilizio
ha sempre avuto il compito fondamentale
di modulare le condizioni ambientali esterne, per creare un microclima confortevole in
relazione alle variazioni di temperatura e di
irraggiamento.
In passato, infatti, le pareti di elevato spessore
erano concepite come “maschere introverse”
capaci di garantire le funzioni strutturali, di
riparo dall’acqua e di protezione dall’intemperie
e dalla variabilità delle condizioni climatiche.
La massività delle pareti, in particolare, era
utilizzata come strumento di protezione dal
freddo e di difesa dal caldo, grazie alle buone
prestazioni di isolamento, inerzia e sfasamento
termico. Un’altra caratteristica era legata alla
traspirabilità delle pareti, garantita attraverso la
scelta di materiali di provenienza locale (pietra,
mattone, tufo, …) e di tecniche costruttive
massive (pareti a sacco, pareti in pietra listata,
pareti in pietra a secco, …). Con l’introduzione
del cemento armato tra i materiali costruttivi,
si perde progressivamente questa capacità
tradizionale di sfruttare le caratteristiche
dell’ambiente naturale per la difesa climatica, puntando sempre maggiormente verso i
principi di libertà formale, sperimentazione tecnica, flessibilità costruttiva e ripetibilità dell’intervento. A partire dal secondo dopo guerra
si diffondono anche edifici con prestazioni
energetiche ridotte, realizzati con strutture
portanti in cemento armato e tamponamenti
28
in laterizio forato senza isolamento termico,
pannelli sandwich o elementi in calcestruzzo prefabbricato. La crisi petrolifera del 1970
porta a una progressiva attenzione verso gli
aspetti di risparmio energetico e di comfort,
introducendo l’uso dei materiali isolanti. I primi
coibenti avevano una natura plastica (polistirolo, polistirene, poliuretano ed elastomeri),
mentre con il passare del tempo, si diffondono
materiali di tipo inorganico (lana di roccia e
di vetro, vermiculite, pomice, argilla e perlite),
organico (fibra di legno, fibre organiche, lana
di pecora, sughero) e riciclato (fibra di cellulosa). Più recentemente si stanno diffondendo
sempre maggiormente le sperimentazioni con
nanomateriali (aerogel), sottovuoto (VIP), materiali riflettenti (isolanti riflettenti e coating IR),
a cambiamento di fase (PCM).
Conoscere per sperimentare
Un corretto intervento sul patrimonio edilizio storico deve nascere da un’approfondita
analisi diagnostica di tipo strumentale capace
di definire le prestazioni e il comportamento
energetico dell’immobile e di considerare le
esigenze di riduzione dei consumi e dei costi energetici, di rispetto dell’ambiente e di
tutela del patrimonio. L’audit è lo strumento
fondamentale per conoscere il comportamento
energetico dell’edificio. Il livello di approfondimento dipende sostanzialmente dal tipo di
analisi e dai risultati che si vogliono ottenere.
In un edificio storico è consigliabile realizzare sempre un audit di dettaglio, correlato
da analisi diagnostiche non distruttive e dalla
simulazione del comportamento energetico.
Solo attraverso queste informazioni, infatti,
è possibile dare indicazioni generali sull’incidenza percentuale delle dispersioni termiche
legate ai singoli componenti edilizi e impiantistici, poiché il calcolo è legato alle condizioni
climatiche della zona, alla geometria dell’edificio, all’orientamento dei singoli componenti,
alle modalità d’uso, etc. In linea di massima,
la logica di intervento deve partire dalla minimizzazione delle perdite per trasmissione e
per ventilazione attraverso l’involucro edilizio,
per poi agire sugli impianti termici ed elettrici
e sull’inserimento di fonti rinnovabili.
Il progetto deve nascere da una visione globale
delle diverse alternative di intervento, cercando
di ottimizzare l’azione sui diversi sub-sistemi
edilizi e impiantistici e sulle strategie di gestione. Proprio partendo da questa indagine
globale, è possibile scegliere gli interventi più
conveniente dal punto di vista energetico,
economico, gestionale e ambientale e calibrare le azioni in funzione dei principi cardinali
del restauro: “non invasività”, “reversibilità”
e “compatibilità” rispetto alla valenza storica
dell’immobile.
“Non invasività” implica la minimizzazione
dell’impatto visivo, estetico e spaziale dell’intervento, “reversibilità” indica possibilità di
ripristinare la situazione di partenza e, infine,
“compatibilità” si riferisce alla valutazione degli effetti fisici e chimici indotti dalle modifiche
sulla materia storica. Infine, un’attenzione particolare, va posta alla scelta degli interventi in
funzione dell’intero ciclo di vita dell’edificio,
valutando anche la compatibilità ambientale
e i consumi energetici nelle diverse fasi.
Isolamento termico
Una delle principali strategie di miglioramento
delle prestazioni energetiche degli edifici storici è legata all’applicazione di un rivestimento
isolante interno, che può essere effettuata in
assenza di decorazioni, finiture pregiate o
intonaci in buono stato di conservazione. Il
coibente interno scherma fin da subito il trasferimento di calore per conduzione nei diversi
strati della parete, portando all’aumento delle
temperature dell’aria interna e superficiali della
parete e mantenendo costante la temperatura
media radiante, con conseguenti benefici per
il benessere termico degli utenti. In questo
modo si riducono le perdite per trasmissione
e i ponti termici diffusi e di forma, non garantendo l’omogeneità delle prestazioni termiche
della facciata e l’eliminazione dei ponti termici
di materia. È molto importante curare i dettagli
costruttivi, perché si potrebbero creare punti
freddi in cui si può avere condensa superficiale o rischi di muffa. I problemi non si
risolvono nemmeno con la scelta dei materiali
isolanti, in quanto i materiali non traspiranti
(o quasi impermeabilizzanti come polistirene
espanso o estruso, poliuretano, ...) veicolano
la condensa all’interno delle solette, mentre
quelli traspiranti (come lane minerali o fibre
di legno) assorbono l’acqua, perdono le pre-
Restauro conservativo
Per evitare la formazione di condensa nell’isolamento dall’esterno di una parete
in muratura è opportuno scegliere coibenti e intonaci dotati di alta permeabilità al vapore
(Fonte: tr. it da English Heritage, 2010)
Per evitare la formazione di condensa nell’isolamento dall’interno di una parete in
muratura è possibile utilizzare coibenti a bassa permeabilità uniti a una barriera al vapore
(Fonte: tr. it da English Heritage, 2010)
Per evitare la formazione di condensa nell’isolamento dall’interno di una parete in pietra è
meglio utilizzare coibenti e intonaci ad alta traspirabilità (Fonte: tr. it da English Heritage, 2010)
stazioni energetiche nel tempo e imbibiscono
la parete. Inoltre, l’isolamento interno porta
al raffreddamento più rapido del locale per
effetto dell’assenza di massa termica del lato
più interno della parete: quando si spegne il
riscaldamento il calore viene rilasciato e non
trattenuto come avviene nelle murature storiche di tipo massivo.
Una seconda strada, meno facilmente percorribile perché modifica l’immagine estetica
e la consistenza materica delle facciate, è
ottenuta mediante l’applicazione di materiale
isolante sulle superfici esterne, per ridurre
le perdite di calore per trasmissione e avere
prestazioni omogenee. La tecnica risulta irreversibile e ad alto impatto estetico, materico
e spaziale sulla conservazione delle finiture.
In molti casi, infatti, per garantire adeguati
ancoraggi e resistenze, gli isolanti devono
essere posati su supporti che soddisfano
criteri di tenuta meccanica, complanarità,
assenza di degrado e di umidità interstiziale
o superficiale. A parte queste problematiche
di compatibilità, la tecnica teoricamente è
indicata per pareti massive perché ottimizza
la capacità termica areica, ovvero la proprietà
di accumulo del calore proveniente dall’interno (specialmente se il coibente ha elevata
capacità termica come per legno, sughero,
fibre vegetali, …). In pratica, nella stagione
invernale lo strato isolante aggiuntivo non
modifica le caratteristiche di sfasamento e
di attenuazione della parete originaria, ma ne
riduce solo la trasmittanza termica e sfrutta
pienamente la massa di pareti e solai. Nella
stagione estiva il rivestimento isolante viene
irraggiato dal sole e, specialmente se dotato
di elevata capacità termica (legata alle proprietà di alcuni materiali quali legno, sughero,
fibre vegetali, …), trattiene il calore al suo
interno, rilasciandolo lentamente nella parete e nell’ambiente interno. In questo modo,
l’onda termica viene attenuata e sfasata e
si hanno i benefici di inerzia termica tipici di
una muratura massiva.
Un’altra tecnica riguarda l’inserimento di materiale coibente in intercapedini o cavedi, per
migliorarne le prestazioni termofisiche della
parete. In inverno, si riducono le dispersioni
per trasmissione mentre rimangono invariati
i ponti termici di forma, di materia e diffusi.
In estate, la scelta di isolanti dotati di elevata
capacità termica (legno, sughero, fibre vegetali, …) migliora l’inerzia della parete che
assorbe il calore, rilasciandolo più lentamente.
In questo modo, l’onda termica viene attenuata e sfasata, con conseguenti benefici di
benessere e di stabilità termica negli ambienti
interni. Il rilascio sarà più lento o più veloce
in funzione delle capacità di accumulo delle
pareti esistenti. La convenienza economica
e i benefici energetici e ambientali dipendono da diversi fattori, legati allo spessore
dell’intercapedine e alla scelta del materiale
isolante. Bisogna sottolineare che spesso le
intercapedini storiche non sono chiuse nella
parte a contatto con la soletta oppure non
hanno uno spessore costante. Per questo è
sempre opportuno verificare la possibilità di
insufflare il materiale isolante in modo costante tramite la realizzazione di una termografia
a raggi infrarossi.
29
Prodotto
Lavori preliminari di consolidamento dell’intonaco storico prima
di applicare il materiale isolante (foto di Annelie Bortolotti)
Materiali a capillarità attiva
Per ovviare ai problemi connessi con l’isolamento interno degli edifici storici, nel progetto
europeo 3ENCULT “Efficient energy for European cultural heritage” è stato sviluppato un
materiale isolante in poliuretano a capillarità
attiva (iQ-Therm di Remmers) che garantisce ottime prestazioni di isolamento termico
(λ = 0.031 W/mK) e di traspirabilità al vapore.
In pratica è costituito da un pannello in poliuretano ad alta densità sul quale è realizzata una
griglia di micro-fori che agisce come canale
di diffusione e di trasporto dell’umidità. La
scelta del poliuretano permette di ottenere
elevate prestazioni energetiche con ridotti
spessori. I micro-fori, invece, sono ottenuti
con il taglio laser, con diametri molto ridotti,
a intervalli regolari, perpendicolari alla superficie dei pannelli e riempiti in fabbrica con
uno speciale materiale minerale a capillarità
Dettaglio del materiale isolante capillarità attiva
(foto di Elena Lucchi)
30
Applicazione del materiale isolante a capillarità attiva
(foto di Annelie Bortolotti)
attiva. I pannelli vengono accoppiati tra loro
con una malta a base di calce NHL5 e incollati
alla parete interna con un collante a base di
argilla per mantenere elevate proprietà di alta
traspirabilità e per garantire la totale reversibilità dell’isolamento. Il substrato deve avere
complanarità e tenuta meccanica adeguate
per supportare l’applicazione dei nuovi pannelli
isolanti. Per questo è opportuno consolidare
l’intonaco sottostante, secondo le tecniche
tradizionali del restauro architettonico. La finitura finale può essere realizzata con malta
e intonaco a base di calce NHL5.
Dettaglio dell’applicazione dei pannelli isolanti a capillarità attiva
(foto di Elena Lucchi)
Restauro conservativo
Fasi progressive di insuflaggio dell’aerogel nella cavità di una parete storica (foto di Elena Lucchi)
Aerogel
L’aerogel si caratterizza per le elevate prestazioni termiche, che permettono di ridurre
notevolmente gli spessori dei materiali isolanti.
Per questo è particolarmente adatto per le
pareti storiche, dove consente un miglioramento prestazionale con ingombri e pesi ridotti.
Nell’ambito del progetto di ricerca EFFESUS
“Energy Efficiency for EU Historic Districts
Sustainability” è stato sviluppato un isolante
a base di aerogel pensato per l’isolamento
interstiziale di pareti dotate di piccole intercapedini o cavedi (Spacefill di APG). Si tratta di
un materiale composito costituito da fibra di
poliestere, a cui è aggrappata della polvere di
aerogel di natura silicea prodotta da materiale
riciclato o di nuova produzione. Si caratterizza
per le buone prestazioni termiche (λ = 0.0255
W/mK con densità di 70 kg/m3), di permeabilità al vapore, igroscopicità e resistenza
meccanica. Il problema principale riguarda
la produzione di polvere durante la fase di
applicazione e l’ottenimento di materiale a
densità costante all’interno di intercapedini di
spessore diverso, con cricche o materiali vari
interni. È stato sviluppo anche uno speciale
Macchinario per insuflaggio dell’aerogel
(foto di Elena Lucchi)
Fibra di poliestere con aerogel
(foto di Elena Lucchi)
intonaco termoisolante con aerogel (Fixit 222)
dotato di elevate prestazioni energetiche (λ10 =
0.0261 W/mK e λD = 0.028 W/mK). Il materiale
è particolarmente indicato per gli edifici storici
perché la formulazione minerale a base di
calce e l’alta permeabilità al vapore, oltre ad
essere compatibile tecnicamente ed esteticamente con gli intonaci di tipo tradizionale,
permettono anche di ridurre la formazione di
muffe superficiali e interstiziali.
Esempio di ugello utilizzato per l’insuflaggio del materiale
(foto di Elena Lucchi)
31
Prodotto
Isolanti a base di calce
Un sistema di isolamento ampiamente utilizzato negli edifici storici riguarda l’impiego di
intonaci termici a sostituzione degli esistenti, strategia utilizzabile quando questi ultimi
sono irreversibilmente danneggiati, realizzati
con materiali nocivi o irrecuperabili. I prodotti
generalmente sono costituiti da intonaco premiscelato con elevato potere termoisolante a
base di leganti idraulici predosati e materiale
isolante a granulometria costante.
Per mantenere le medesime prestazioni
traspiranti della parete originaria ed evitare
problemi di condensa, l’intonaco deve essere realizzato con materiali naturali, come
calce idraulica, caolino, aggregati selezionati
e agenti stabilizzanti.
I materiali isolanti, invece, possono essere
di tipo sintetico di origine organica (perle di
polistirene) o inorganica (vetro espanso, fibra
di vetro, ...) oppure naturale sempre di origine
organica (sughero, ...) o inorganica (pomice,
vermiculite, perlite espansa, …). Nel primo
caso, l’intervento si caratterizza per le elevate
proprietà di resistenza termica e traspirabilità
al vapore, ma non di inerzia termica. In tutti gli
altri casi, invece, la scelta di prodotti con alta
Applicazione dell’isolamento interno con malta a base di calce tipo Isocal di Bofimex (foto di Elena Lucchi)
Applicazione della malta a base di calce
altamente isolante (foto di Virginie Gouas)
Dettaglio dei sensori di rilievo della temperatura superficiale sull’isolante
a base di calce altamente isolante (foto di Elena Lucchi)
Dettaglio dei sensori per il rilievo
delle caratteristiche ambientali
della stanza su cui è stato applicato
isolante a base di calce altamente
isolante (foto di Elena Lucchi)
capacità termica garantisce anche buone prestazioni di sfasamento e di attenuazione del calore.
Nel progetto di ricerca EFFESUS è stata sviluppata una malta a base di calce NHL5 con
l’aggiunta dell’80% di granuli di EPS specifica per edifici storici (Isocal di Bofimex). La scelta
di questo materiale è dovuta alle buone caratteristiche energetiche (λ = 0.065 W/mK pari
circa a 1/10 rispetto a quella delle malte tradizionali) e, contemporaneamente, alla ridotta
invasività estetica e alla reversibilità, che ne permette la rimozione come una comune malta.
L’EPS è stato selezionato tra diversi materiali dopo avere provato le prestazioni di resistenza
meccanica e di efficienza energetica di diversi materiali, tra cui l’aerogel che è risultato dotato
di una resistenza meccanica troppo bassa.
32
Dettaglio della malta a base di calce applicata in opera
altamente isolante (foto di Virginie Gouas)
Restauro conservativo
Applicazione della malta di calce a base di grafene (foto Graphenstone)
Applicazione della malta su fontane antiche (foto Graphenstone)
Malta di calce con grafene
Il grafene è un materiale bidimensionale, costituito da uno strato
monoatomico di atomi di carbonio legati tra loro per formare un
reticolo esagonale che si configura come una forma di carbonio
molto sottile. È dotato di straordinarie proprietà di resistenza
meccanica, flessibilità (grazie all’elevato modulo elastico), stabilità
termica, conducibilità elettrica, trasparenza, ridotta trasmissione termica. Le prime applicazioni hanno riguardato l’utilizzo in
elettronica, in virtù dell’elevata mobilità dei portatori di carica e
del basso rumore. Più recentemente è stata sviluppata anche
una malta di calce a base di grafene, perfettamente compatibile
con le pareti storiche che, in aggiunta rispetto ai prodotti tradizionali, svolge anche funzioni di consolidamento strutturale ed
efficienza energetica. È costituita da una miscela di grasselli di
calce aerea, con inerti dotati di elevata qualità e composti da
carbonato di calcio (purezza> 90%), rocce silicee e pigmenti inorganici. Il materiale composito è ottenuto con processi
tradizionali di cottura in un antico forno a legna, proprio per
mantenere invariate le proprietà e la qualità della malta di calce
antica (analogamente a quanto si fa con i prodotti speciali per il
restauro). Questo permette di avere un prodotto perfettamente
compatibile dal unto di vista estetico e materico con la malta e
gli intonaci a base di calce di tipo antico o tradizionale. Normalmente, infatti, si utilizza come un primo strato di rivestimento,
sul quale devono poi essere applicate due mani di finitura a
base di calce super-fine.
Applicazione della malta sulle facciate di edifici (foto Graphenstone)
33
Prodotto
Reflective coating
I rivestimenti selettivi IR riflettono la radiazione
infrarossa proveniente dal cielo, con l’intento
di aumentare la riflessione del calore solare
e di ridurne l’accumulo all’interno di pareti
caratterizzate da una massa termica elevata. Normalmente, sono realizzati integrando
nelle pitture tradizionali dei materiali ad alta
riflettanza, generalmente di natura metallica.
Le vernici attualmente in commercio non sono
compatibili con gli edifici storici a causa della
mancanza di reversibilità del coating. Per ovviare a questo problema, sono state sviluppate
delle gamme cromatiche molto ampie, che
comprendono anche tutte le tonalità usate
nell’architettura tradizionale. Queste vernici,
pertanto, potrebbero essere utilizzate quando
gli intonaci antichi sono degradati, di scarso
valore documentario o necessitano un ripristino totale.
Per ovviare ai problemi relativi alla reversibilità del materiale, nel progetto di ricerca
EFFESUS è stato sviluppato un coating selettivo riflettente, trasparente e perfettamente
reversibile grazie all’utilizzo di un apposito
primer (Paraloid B72). Si tratta di un coating
polimerico di colore bianco con l’aggiunta
di materiali metallici di varia formulazione IR
coating. Il prodotto attualmente è ancora in
fase prototipale e su di esso sono state fatte
diverse sperimentazioni e prove di laboratorio
per testarne le proprietà ottiche, di durabilità
e di resistenza alle diverse condizioni climatiche. EURAC ha fatto anche delle simulazioni
termiche di tipo dinamico per verificarne il
comportamento durante le stagioni dell’anno,
Immagine al microscopio ottico (SEM) di una pietra calcarea storici
(elaborazione di Aurora Maria Casado Barrasa)
Tipo di primer (Paraloid B72) utilizzato
per garantire la reversibilità del coating sul diversi tipi di materiali storici
(foto di Aurora Maria Casado Barrasa)
34
con orientamenti solari e tipi di materiali. In
linea generale, si vede che il materiale è più
adatto in climi particolarmente caldi, con una
elevata quantità di radiazione solare e ridotte
escursioni termiche tra giorno e notte. È più
performante se applicato sugli orientamenti
sud, dove porta a un buono abbassamento
della temperatura superficiale esterna (1-2 °C).
Porta anche un abbassamento delle oscillazioni termiche in diversi nodi della parete, garantendo una migliore durabilità del materiale
e della parete sottostante anche in presenza
di oscillazioni termiche particolarmente elevate. Analogamente, anche i test effettuati in
laboratorio con l’inserimento di un sole artificiale mostrano la riduzione della temperatura
superficiale (2-3 °C) e del flusso energetico
(23%) nel periodo estivo.
Immagine al microscopio ottico (SEM) della stessa pietra calcarea su cui è stato
applicato il primer e il coating storici (elaborazione di Aurora Maria Casado Barrasa)
Assetto sperimentale delle prove di labo- Termocoppia e lampada agli infrarossi.
ratorio effettuate per valutare gli effetti Data logger (foto di Aurora Maria Casado Barrasa)
della radiazione solare sul coating storici.
(foto di Aurora Maria Casado Barrasa)