Stefanizzi - Agenzia CasaClima

Tecnologia
Valentina Augenti, Pietro Stefanizzi
Considerazioni su soluzioni
di involucro opaco in
regime termico dinamico
La condizione di benessere termico che si realizza in edifici con involucro dotato di adeguata
inerzia termica, soprattutto in stagioni intermedie ed estive, è legata alla proprietà della parete
di smorzare e sfasare l’onda di temperatura esterna nella sua propagazione verso l’ambiente
interno. Il confronto di differenti soluzioni di involucro opaco, tutte caratterizzate dalla stessa
trasmittanza termica stazionaria e dalla stessa massa superficiale, ha dimostrato la migliore
prestazione in regime dinamico della parete omogenea rispetto alle soluzioni multistrato con
isolamento concentrato
I
n un clima temperato mediterraneo, come quello dell’Italia, la
massa svolge un compito fondamentale nel garantire il benessere termoigrometrico, non solo in condizioni
invernali, ma anche e soprattutto in
condizioni estive. In molte situazioni
climatiche tipiche dell’Italia, un appropriato sfruttamento dell’inerzia termica
consente di mantenere adeguate condizioni di benessere senza impianto di
riscaldamento invernale o di condizionamento estivo.
Le soluzioni di architettura vernacolare
tipiche di zone a clima temperato –
sassi di Matera e trulli nell’Italia meridionale, costruzioni in terra cruda nel
Nuovo Messico – costituiscono una risposta intuitiva all’ambiente ed al
clima, precursore della “moderna” architettura bioclimatica.
La sensazione di benessere termico
che si realizza in tali abitazioni, in assenza di impianto di condizionamento,
è il risultato dello sfasamento che il
flusso termico subisce nell’attraversamento dell’involucro, con un valore minimo di temperatura interna in corrispondenza del valore massimo della
temperatura esterna.
In pratica, quando le caratteristiche termofisiche della parete sono tali da produrre un ritardo di circa 12 ore, il fresco
della notte arriva all’interno durante le
ore più calde della giornata, realizzando un condizionamento naturale.
Negli ultimi anni la difficoltà del progettista nella scelta di una chiusura
opaca verticale che garantisca buone
prestazioni termiche, e allo stesso
tempo sia in linea con il progetto architettonico, è amplificata dalla presenza
di innumerevoli prodotti sul mercato e
dalla continua evoluzione normativa.
L'approccio ideale del progettista verso
la legislazione attuale dovrebbe essere
di tipo critico, rivolto cioè non soltanto
al rispetto dei limiti prescrittivi ma an-
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che ai risultati e alle evoluzioni in
campo scientifico. Questo, molto
spesso, non accade, per cui la soluzione scelta ricade tra i prodotti magari
maggiormente pubblicizzati o economicamente più convenienti in termini di
costo iniziale.
In questo studio si confrontano due soluzioni di chiusure verticali opache apparentemente simili (stessa massa superficiale, stesso spessore e stessa trasmittanza termica) dimostrando come
esse diano risultati prestazionali in regime dinamico anche molto differenti.
Il regime estivo nell’attuale normativa Attualmente manca un quadro
normativo completo per il calcolo della
prestazione energetica in regime estivo
dell’edificio, come quello disponibile
per il calcolo invernale. In attesa di un
più articolato e dettagliato metodo di
calcolo della prestazione energetica
estiva, caratterizzata da un regime ter-
mico tipicamente dinamico, a causa
della periodicità dell’apporto solare, la
legislazione vigente si limita a fissare
dei limiti per alcuni parametri che
hanno influenza sui consumi energetici
in questo periodo.
Il D.Lgs. 311/06 (allegato I, comma 9,
lettera b) prescrive che in tutte le zone
climatiche, ad esclusione della F, per
le località nelle quali il valore medio
mensile dell’irradianza sul piano orizzontale nel mese di massima insolazione estiva sia maggiore o uguale a
290 W/m2, la massa superficiale delle
pareti opache verticali, orizzontali o
inclinate debba essere superiore a
230 kg/m2.
Nelle bozze di linee guida per la certificazione energetica (previste dallo
stesso D.Lgs. 311/06, art. 6, comma 9),
si richiede che in tutte le zone climatiche ad esclusione della F, per le località
nelle quali il valore medio mensile dell’irradianza sul piano orizzontale nel
mese di massima insolazione estiva sia
maggiore o uguale a 290 W/m2, il valore del modulo della trasmittanza termica periodica YIE delle pareti opache
verticali, orizzontali o inclinate sia inferiore a 0,12 W/m2K.
La trasmittanza termica periodica, YIE
(W/m2K) è il parametro che valuta la
capacità di una parete opaca di sfasare
ed attenuare il flusso termico che la attraversa nell’arco delle 24 ore.
Il calcolo della trasmittanza termica periodica è il risultato del rapporto di due
numeri complessi, cosa che può risultare di non facile esecuzione da parte
del progettista sfornito di adeguati
strumenti software.
Rispetto al parametro “massa superficiale”, la trasmittanza termica periodica risulta però più rappresentativa
del comportamento della parete in regime termico dinamico. Infatti, come si
dimostra più avanti in questa relazione,
pareti con lo stesso valore di massa superficiale, spessore e trasmittanza termica stazionaria presentano prestazioni termiche differenti se valutate in
regime termico variabile.
Soluzioni di
chiusura verticale
opaca considerate
nel calcolo
(misure in cm).
Stratigrafie
analizzate
per la
soluzione 2.
La trasmittanza termica periodica
è legata al “fattore di decremento” (f ),
risultando pari al prodotto di f [-] per
la trasmittanza termica stazionaria
U [W/(m2K)].
Soluzioni di chiusure verticali opache Al fine di mettere in evidenza la efficacia descrittiva dei vari parametri che
influenzano la prestazione termica di
una parete in regime termico dinamico,
sono state prese in considerazione alcune soluzioni di involucro molto diffuse in edilizia.
In particolare, si è analizzato il differente comportamento in regime dinamico di due tipologie murarie: una
chiusura verticale opaca omogenea ed
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TECNOLOGIA
una multistrato, con isolante concentrato (fig. 1). Per questa ultima, si è verificata la prestazione termica al variare
della posizione dello strato di isolante
nella sezione della muratura (fig. 2).
Tutte le soluzioni di parete considerate
presentano volutamente alcune caratteristiche in comune: lo spessore di
33 cm, la massa superficiale di 210
kg/m2 circa e la trasmittanza termica
stazionaria pari a 0,4 W/(m2K).
Il valore di trasmittanza assunto rende
la parete idonea in zona climatica C
oltre il 2010, secondo i limiti fissati dal
D. Lgs. 311/06.
Risultati Con il metodo descritto nella
norma EN ISO 13786:2007, è stato cal-
Trasmittanza termica periodica (YIE) e fattore di decremento (f) per valori
differenti della posizione dell’isolante nella parete (x = distanza dalla
superficie interna, intonaco escluso).
Trasmittanza termica periodica YIE) e fattore di decremento (f) per tutte
le soluzioni considerate (soluzioni 2A÷F7).
Valore del ritardo per tutte le soluzioni considerate.
Andamento giornaliero della temperatura esterna.
Trasmittanza termica periodica YIE (W/m2K)
Andamento giornaliero del flusso termico entrante nell’ambiente interno
nel caso di temperatura esterna variabile come in figura 6 e temperatura
interna costante pari a 0°C.
colato il valore del fattore di decremento, della trasmittanza termica periodica e del ritardo per ciascuna delle
soluzioni di parete sopra descritte.
Nel grafico di figura 3, è indicato l’andamento dei valori di trasmittanza termica periodica e del fattore di decremento in funzione della posizione dell’isolante all’interno della parete (soluzioni 2A÷E). Per confronto con la soluzione di parete omogenea, si riportano
con linea tratteggiata anche i valori relativi a quest’ultima.
Si nota che:
• la migliore soluzione in assoluto è
quella della parete omogenea, in
quanto caratterizzata dal minor valore
di trasmittanza termica periodica;
• la peggiore soluzione è quella con
isolante concentrato nella metà della
parete prospiciente il lato interno (soluzioni 2.C e 2.D);
• tra le pareti con isolante concentrato
in unico spessore, il migliore comportamento lo si ottiene mettendo l’isolante
sul lato esterno (soluzione 2.B);
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• la parete omogenea (soluzione 1), pur
avendo una massa superficiale inferiore al limite fissato dal D.Lgs. 311/06,
presenta una trasmittanza termica periodica inferiore al limite di 0,12 W/(m2K)
fissato nella bozza di linee guida.
Nella figura 4 si riportano i risultati per
tutte le configurazioni di parete analizzate. Si osserva che, in aggiunta alle
considerazioni fatte in riferimento alla
figura 3, la soluzione 2.F, con lo strato
di isolante disposto per metà sul lato
interno e per metà su quello esterno,
1
2
Composizione materica della parete omogenea (soluzione 1).
Descrizione strato
Intonaco di calce e gesso
Laterizio forato
Intonaco di calce e gesso
Conduttività termica
W/(m K)
Diffusività termica
m2/s
Intonaco di calce e gesso
0,700
4,902E-7
2,948E-7
Laterizio forato
0,766
1,284E-6
4,902E-7
Polistirene espanso
0,040
1,067E-6
Spessore
cm
Conduttività termica
W/(m K)
Diffusività termica
m2/s
1,5
0,700
4,902E-7
30,0
0,131
1,5
0,700
presenta il più basso valore di trasmittanza termica periodica.
Nella figura 5 è indicato il valore del ritardo in ore per tutte le soluzioni analizzate: il maggior valore del ritardo è
ottenuto con la soluzione di involucro
senza isolamento concentrato.
In particolare, si nota che tale valore si
avvicina a quello ottimale di 12 ore.
Dal punto di vista fisico, come sopra
detto, questo comporta che in estate il
fresco della notte arrivi nell’ambiente
interno durante le ore di massima temperatura esterna, migliorando la sensazione di benessere anche in assenza di
impianto di condizionamento.
Un confronto esaustivo tra le soluzioni
di involucro considerate non può prescindere dalla analisi igrometrica, in
quanto la presenza di uno strato di materiale isolante concentrato, all’interno
di una parete multistrato, può comportare in alcuni casi il raggiungimento di
condizioni termoigrometriche critiche
con conseguente formazione di condensa interstiziale.
La verifica termoigrometrica è stata
condotta in accordo alla UNI EN ISO
13788, ipotizzando condizioni climatiche esterne tipiche della zona climatica C. Per nessuna delle tipologie di
parete considerate si sono raggiunte
condizioni di condensa interstiziale
La parete con il migliore comportamento termoigrometrico è risultata ancora quella omogenea (soluzione 1),
mentre quella con un maggiore rischio
di condensa è stata la parete con isolamento sul lato interno (soluzione 2.A).
Un ulteriore confronto tra le soluzioni
di involucro è stato operato calcolando
il flusso termico entrante nell’ambiente interno in condizioni di regime
3
Composizione materica della parete isoltata (soluzione 2).
Descrizione strato
Possibili stratigrafie di pareti considerate nella soluzione 2.
Soluzione Stratigrafia (da interno ad esterno)
2.A
1,5 cm intonaco + 8 cm polistirene + 22 cm laterizio + 1,5 cm intonaco
2.B
1,5 cm intonaco + 22 cm laterizio + 8 cm polistirene + 1,5 cm intonaco
2.C
1,5 cm intonaco + 5,5 cm laterizio + 8 cm polistirene + 16,5 cm laterizio + 1,5 cm intonaco
2.D
1,5 cm intonaco + 11 cm laterizio + 8 cm polistirene + 11 cm laterizio + 1,5 cm intonaco
2.E
1,5 cm intonaco + 16,5 cm laterizio + 8 cm polistirene + 5,5 cm laterizio + 1,5 cm intonaco
2.F
1,5 cmiIntonaco + 4 cm polistirene + 22 cm laterizio + 4 cm polistirene + 1,5 cm intonaco
termico dinamico.
Si è assunto un andamento giornaliero
di temperatura dell’aria esterna, come
in figura 6, variabile in modo sinusoidale con valore medio 0°C e semi-ampiezza di oscillazione 10°C. La temperatura dell’aria dell’ambiente interno è
stata ritenuta costante, pari a 0°C, ipotizzando la presenza di un impianto di
climatizzazione ideale in grado di mantenere costante l’aria interna.
In figura 7 si riporta il flusso termico
entrante nell’ambiente interno calcolato per ciascuna soluzione di involucro
considerata.
I risultati ottenuti in quest’ultima analisi confermano la migliore prestazione
della soluzione 1, senza strato concentrato di isolante. Si osserva, infatti, che
il flusso termico entrante nell’ambiente
interno raggiunge il valore minimo in
corrispondenza del valore massimo di
temperatura esterna.
Conclusioni La prestazione termica
dell’involucro opaco in regime dinamico è influenzata sia dalle proprietà
termofisiche dei materiali impiegati, sia
dalla disposizione degli strati nella direzione del flusso termico. Lo studio
condotto ha dimostrato che la solu-
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TECNOLOGIA
zione che presenta il migliore comportamento termoigrometrico è la parete
monostrato omogenea, soprattutto
nelle condizioni climatiche tipiche di
stagioni intermedie ed estive, nelle regioni mediterranee.
I risultati ottenuti in questo lavoro dimostrano che:
• la massa superficiale della parete
non è il solo parametro idoneo a stabilire la bontà della prestazione termica
in regime variabile;
• per confrontare differenti soluzioni di
involucro in regime termico dinamico,
bisogna fare riferimento anche alla
coppia di parametri, fattore di decremento e sfasamento, oppure alla trasmittanza termica periodica, considerata come numero complesso (modulo
e fase);
• se proprio si deve fare ricorso all’inserimento di strati di isolante nello
spessore della parete, la collocazione
più performante è quella di metterne
metà sul lato interno e metà sul lato
esterno;
• la soluzione monostrato, a parità di
spessore, trasmittanza termica stazionaria e massa superficiale, è la soluzione che realizza uno sfasamento
maggiore rispetto alle altre soluzioni. ¶