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1

Componenti per le strutture opache e trasparenti degli edifici

prof. ing. Piercarlo Romagnoniprof. ing. Piercarlo Romagnoni

Universit IUAV di Venezia

Dipartimento di Pianificazione e Progettazioni di Ambienti Complessi

Dorsoduro, 2206 30123 Venezia

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Il calore definito come quella forma di energia che trasferita attraverso i confini di un sistema ad una datatemperatura ad un altro sistema (o verso l'esterno) ad unatemperatura pi bassa in virt della sola differenza ditemperatura tra i due sistemi

est < int

int

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Processi di scambio termico

Conduzione (trasferimento di energia dellemolecole)

Convezione (movimento di aria)

Scambi termici per radiazione

Scambi termici tra aria interna ed esterna

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Scambio termico globale

La potenza termica scambiata (W/m2) fornita come

Qc = (Differenza di temperatura) x Trasmittanza (U)

Qc = (Differenza di temperatura )/ Resistenza (R)

U la trasmittanza termica ed calcolata in W/(m2K) (pi piccola meglio ):U la trasmittanza termica ed calcolata in W/(m2K) (pi piccola meglio ):

U = 1/ R

R il reciproco del dato precedente ed chiamata resistenza termica (pi grande il valore meglio ) [(m2K) /W]

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La parete opaca si caratterizza con le seguenti propriet:

spessori s [m];

conducibilit termiche [W/(m K)]; conduttanze C [W/(m2 K)];

densit [kg/m3];calore specifico c [J/(kg K)]

La parete ha superficie A [m2]

La parete opaca

la resistenza termica totale di scambio Rtot la somma delle resistenze

termiche definite di seguito (UNI EN ISO 6946):

Rtot = Rt + R't + Rsi + Rse

Rt = resistenza termica di strato omogeneo;

Rt = resistenza termica di strato non omogeneo;

Rsi = resistenza superficiale interna;

Rse = resistenza superficiale esterna.

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Rt = resistenza termica di uno strato omogeneo di spessore s [m] e conducibilit

termica [W/(m K)]:

ricavata da valori tabulati secondo UNI EN ISO 10351

][2

WKmsRt =

Rt = resistenza termica di uno strato non omogeneo di spessore s [m] e

conduttanza termica C [W/(m2 K)]:

][1'2

WKm

CR t =

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[(m2 K)/W] Direzione del flusso termico Ascendente Orizzontale Discendente

Rsi 0,10 0,13 0,17 Rse 0,04 0,04 0,04

Per pareti verticali, andranno utilizzate le resistenze riportate nella colonna

centrale.

Resistenze superficiali

centrale.

Un flusso termico ascendente considerato tale su soffitti disperdenti; un

flusso termico discendente sotto pavimenti disperdenti.

E' considerato orizzontale anche un flusso termico inclinato fino a 30 sul piano orizzontale.

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8

Flusso termico attraverso la parete:

Per una serie di strati uno di seguito allaltro: si sommano le resistenze

Per strati in parallelo: si sommano i valori di U (pesati con la superficie)

K

0.5 1

K

K

K2

3

4

5

3.5

U4

R5

U3

R2

Tout

R =1/h1

T inR = 1/h61 6

U3=k3/D U4=k4/D

U34=f3U3+f4U4,

Dove f3 e f4 sono frazioni pesate nelle superfici

R34=1/U34

Rtotal = R1 + R2 + R34 + R5 + R6

Utotale = 1/Rtotale

Source of figures: Sherman and Jump (1997, CRC Handbook of Energy Efficiency, CRC Press, Boca Raton)

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9

Quindi

Il flusso termico attraverso una finestra o una parete varia con la

legge:

q = T/R

R (o RSI) varia con lo spessore d dello strato di materiale isolante:

R = d/, dove la conducibilit termica W/(m K) dellisolante

Il valore della resistenza totale R (o RSI) di una parete la

somma delle singole resistenze di ciascuno strato R di cui la

parete composta

Uoverall=1/Rtotal W/(m2 K)

Devono essere considerate le resistenze interne Rint e esterna Rest

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Trasmittanze termiche limite D.Lgs. 311 (dal 2010)

Zona climatica

Parete verticale

Copertura Pavimento verso locale

non risc.

Finestra

A 0,62 0,38 0,65 4,6

B 0,48 0,38 0,49 3,0

C 0,40 0,38 0,42 2,6C 0,40 0,38 0,42 2,6

D 0,36 0,32 0,36 2,4

E 0,34 0,30 0,33 2,2

F 0,33 0,29 0,32 2,0

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DECRETO 26 gennaio 2010Aggiornamento del decreto 11 marzo 2008 in materia di riqualificazione energetica degli edifici.(Pubblicato su G.U. n. 35 del 12/2/2010)Trasmittanze termiche per le ristrutturazioni

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Come si qualifica un edificio a basso consumo energetico?

Passive houses:

richiesta energetica per il riscaldamento 15 kWh/(m2 anno) riscaldamento, acqua calda sanitaria ed usi elettrici 120 kWh/(m2 anno)

Lisolamento si traduce con una bassa trasmittanza U dei componenti dellinvolucro

Parete esterna U 0,15 W/(m2K)Copertura U 0,15 W/(m2K)Pavimento U 0,15 W/(m2K)Porte e finestre U 0,8 W/(m2K)Vetro U 0,8 W/(m2K)

Coeff. lineicoponte termico lineare 0,01W/(m K)

Tenuta allaria n50 0,6 h-1

(EN 13829)

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Linvolucro delledificio

Isolamento

Porte e finestre

Facciate continue in edifici commerciali

Infiltrazioni daria Infiltrazioni daria

Facciate doppia pelle (Double skin faades)

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Dispersione di una parete o di un soffitto

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

R

e

l

a

t

i

v

e

H

e

a

t

L

o

s

s

Walls at R12 (RSI 2.1, U=0.47 W/m2/K)

Walls at R20 (RSI 3.52,U=0.28 W/m2/K)

Roof at R32 (RSI 5.6,U=0.18 W/m2/K)

0.0

0.1

0.2

0.3

0 10 20 30 40 50 60

R

e

l

a

t

i

v

e

H

e

a

t

L

o

s

s

R-Value

Walls (R40, RSI 7.0)Roof (R60, RSI 10.6)Advanced House:

RSI-Value0 2 4 6 8 10

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Lenergia necessaria per il riscaldamento quella residuale (o la differenza)

tra le perdite, lenergia dovuta ai guadagni passivi e ai carichi interni.

Fabbisogno di energia termica per il riscaldamento

In tal modo ad una data percentuale di riduzione delle perdite termiche non

corrisponde una proporzionale riduzione dellenergia necessaria al

riscaldamento.

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Lenergia necessaria per il raffreddamento quella dovuta ai

guadagni passivi e ai carichi interni e alle trasmissioni di

energia attraverso i vetri e le pareti.

Anche in questo caso, ad una data percentuale di riduzione dei

guadagni termici non corrisponde una proporzionale riduzione

Fabbisogno di energia termica per il raffreddamento

guadagni termici non corrisponde una proporzionale riduzione

dellenergia necessaria al raffrescamento.

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Come agire per ridurre i fabbisogni energetici?

1) Agisco sullinvolucro edilizio2) Agisco sullimpianto di riscaldamento o raffrescamento

Riduzione del fabbisogno di energia termica

Nel primo caso dovr considerare:1) Isolamento termico dellinvolucro edilizio2) Scelta delle tipologie di vetri e telai

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Isolanti: materiali a struttura fibrosa o cellulare e di bassa densit

La bont dellisolante misurata dalla conducibilit termica

< 0.05 W/(m K)

Pu essere inserito nelle strutture

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Isolanti: tipologie

Fibra di vetro (fibreglass) batts

Fibre minerali

Cellulosa

Schiuma Schiuma

Fibra di legno

Pannelli isolanti sottovuoto

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Materiale [W/(m K)] [kg/m3]Lana di roccia 0,035 0,05 20 140Lana di vetro 0,035 0,05 20 140Perlite espansa 0,05 -0,055 90 - 100Vetro cellulare 0,045 0,06 125 - 150Argilla espansa 0,130 0,25 400 - 1800Fibra di cellulosa 0,045 35 60 Sughero espanso 0,04 0,05 120Fibra di legno 0,050 -0,06 130 - 270(pannello)Fibra di legno mineralizzato

0,09 360 - 570

Paglia e giunco 0,06 0,130 -Lana di pecora 0,04 -EPS pol. Espanso 0,035 0,04 15 30XPS pol. estruso 0,030 - 0,04 20 - 50PUR poliuretano 0,020 0,035 30 - 35

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Alcune questioni legate agli isolanti

spessore

costo

ponti termici

embodied energy (ovvero lenergia richiesta per la loro fabbricazione)loro fabbricazione)

dispersione in ambiente di alocarburi (agenti schiumanti, quali HFC, CO2, H2O, o pentano)

degrado nel tempo (importante per schiume a base di HFC)

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22

Il ponte termico

Radiatori in nicchia allinterno

Cordolo interpiano

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Il ponte termico una configurazione strutturale o geometrica che produce una deviazione del flusso termico dalla condizione di flusso monodirezionale tra superficie interna ed esterna di una parete.

a) Ponte termico di forma

b) Ponte termico di struttura

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Isolamento sottofinestra

Interventi sullinvolucro opaco

Isolamento cassonetto

http://efficienzaenergetica.acs.enea.it/tecnici.htmhttp://efficienzaenergetica.acs.enea.it/tecnici.htm

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Interventi sullinvolucro opaco spessore dellisolante per il rispetto dei nuovi limiti di trasmittanza

Pareti verticali controparete lana di vetro

Lana di vetro con conduttivit da 0.032 a 0.04 W/(m K)Lana di vetro con conduttivit da 0.032 a 0.04 W/(m K)

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Interventi sullinvolucro opaco-spessore dellisolante

Pareti verticali isolamento in intercapedine lana di vetro

Solaio su non riscaldato lana di vetro

Valori indicativi, www.isover.itValori indicativi, www.isover.it

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Interventi sullinvolucro vantaggi/svantaggiISOLAMENTO A CAPPOTTO

la posa in opera necessita di impalcature esterne

possibili difficolt di posa in opera derivanti dalla presenza di elementi sporgenti in facciata

limitati disagi alle unit abitative durante la posa in opera

si riducono i rischi di condensa sia superficiale che interstiziale

si corregge leffetto dei ponti termici

si riduce lo scambio termico radiativo con gli occupanti dato che la temperatura superficiale interna pi elevata

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28

Interventi sullinvolucro vantaggi/svantaggi

RIEMPIMENTO INTERCAPEDINI

rischio di condensazione interstiziale

problemi di ponti termici

scarso controllo della corretta esecuzione dellopera, se non prevista unaccurata valutazione preliminare

lapplicazione non richiede finiture di carattere estetico

semplicit e basso costo di posa in operasi riduce lo scambio termico radiativo con

gli occupanti (temperatura superficiale interna pi elevata)

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Interventi sullinvolucro vantaggi/svantaggi

ISOLAMENTO DALLINTERNO

riduzione del volume utile delledificio

possibile interferenza dei pannelli isolanti con componenti degli impianti termici, elettrici, etc.

problemi legati ai ponti termici

elevato rischio di condensa interstiziale

possibile disagio per gli occupanti se si opera possibile disagio per gli occupanti se si opera dallinterno

semplicit di posa in opera

possibilit dintervento su edifici con facciate sottoposte a vincoli storici o architettonici (es. mattoni faccia a vista, bugnato, etc.)

Possibilit di intervento parziale (appartamento singolo)

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ISOLAMENTO PER COPERTURE PIANE o

INCLINATE

Isolamento ultimo solaio - rivestimento con

materiale isolante appoggiato sulla soletta

del solaio in spazi aperti dove la

pedonabilit non richiesta

Tetto isolato esternamente - il materiale

isolante pu essere posizionato sopra o isolante pu essere posizionato sopra o

sotto lo strato impermeabile

Tetto ventilato - intercapedine daria di 8 10

cm sotto la copertura.

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In coperturaLutilizzo di ricoprimenti riflettenti e/o basso-emissivi

Ricoprimento riflettente

isolamento

Barriera low-e

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VIP Vacuum insulation panels

La conducibilit termica pari a ~ 1/10 di quella di una schiuma, della fibra di vetro o di un isolante a base cellulosa

Per cui circa 1-cm di VIP fornisce la stessa resistenza termica di 10 cm di un normale isolante

Ideali dove lo spazio ridotto Ideali dove lo spazio ridotto

Utilizzo nelle porte e nei frigoriferi e nei freezers

Costo pari a circa 10x il costo di un normale isolante

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Pannelli Prefabbricati VIP

Source: Binz and Steinke (2005, 7th International Vacuum Insulation Symposium, EMPA, Duebendorf,

Switzerland, www.empa/ch/VIP-Symposium)

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VIP in unit di copertura prefabbricate

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Finestre - Infisso

TELAI PER FINESTRA

Telai in legno

Telai in alluminio

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VETRATE SPECIALI

Adozione di vetri basso-emissivi - aumenta la resistenza radiativa. La radiazione infrarossa proveniente dallinterno riflessa (effetto serra). Il risultato ottenuto attraverso il trattamento superficiale del vetro.Adozione di vetri a controllo solare - la radiazione infrarossa solare riflessa allesterno. Unaliquota della radiazione visibile solare assorbita dalla lastra.

da www.guidafinestra.itda www.guidafinestra.it

Fattore di trasmissione

Lunghezza donda

VisibileVisibile

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PCMpassaggio di fase a temperature sufficientemente basse: accumulo di calore che pu essere rilasciato in tempi sfasati anche di parecchie ore

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Applicazioni dei PCM

PCM Microcapsule

Telaio in legno

Isolante

PCM + Cartongesso

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Riscaldamento sotto pavimento con PCM

PCM granulates

Source: ZAE Symposium 04, http://www.zae-bayern.de

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40

Vetro e finestre

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Caratterizzazione: prestazioni termiche U-value

UNI EN ISO 10077-1, 2007 - Prestazione termica di finestre, porte e chiusure

oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 1: Generalit;

UNI EN 673, 2005 - Vetro per edilizia - Determinazione della trasmittanza termica

(valore U) - Metodo di calcolo

Ug

(W/m2 K)Aria Argon Kripton

(W/m K)

Lastra singola 5.7

Doppia 2.8 2.7 2.5

Tripla 1.9 1.7 1.6

Muratura 30 cm 1

Valori calcolati secondo UNI EN 673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm

fg

ggffggw

AA

LAUAUU

+

++=

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Protezione dalla radiazione solare

Controllo e riduzione delle dispersioni termiche

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Grundschule am Reidburg, Frankfurt (D)

(schermi esterni)

Fonte: Danny Harvey

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La normale pratica nella progettazione degli edifici quella di collocare sistemi riscaldanti al di sotto delle finestre e questo perch le finestre normalmente sono disperdenti. In tal modo possibile:

Mantenere la finestra calda evitando asimmetrieradianti

Prevenire spifferi daria (draft) Prevenire spifferi daria (draft)

Prevenire la condensazione

Con finestre ad elevata prestazione, possibile avereminori dispersioni e collocare i sistemi scaldanti altrovenella stanza

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Valore di trasmittanza termica richiesta alla finestra per evitare il

riscaldamento perimetrale

in funzione della temperatura di progetto pi fredda

3

4W

i

n

d

o

w

U

-

v

a

l

u

e

(

W

/

m

2

/

K

)

Perimeter Heating

0

1

2

-30 -20 -10 0 10

Design Temperature (oC)

W

i

n

d

o

w

U

-

v

a

l

u

e

(

W

/

m

Perimeter HeatingNot Needed

Perimeter HeatingNeeded

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Per garantire elevate prestazioni del sistema necessario utilizzare telai ad elevate prestazioni:

legno materiali polimerici (PVC) con anima in metallo profilato metallico (alluminio,acciaio) con taglio termico misto metallo legno e metallo polimero

Telai

misto metallo legno e metallo polimero

Alluminio con taglio termico

PVC

PVC-Alluminio Legno

46

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47

fgggffgg

w AALAUAU

U+

++=

Telai: trasmittanza termica, valori di riferimento (UNI EN ISO

10077-1)

Fig. 2: Aree di riferimento nel calcolo della

trasmittanza termica di un serramento

vetrato.

Fig. 3: Andamento della trasmittanza termica di riferimento

per telai in legno (da UNI EN ISO 10077 parte 1).

47

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MATERIALE TIPO DI TELAIO Uf W/(m2K)Poliuretano Con anima di metallo e spesso pi di 5 mm 2,6

PVC profilo vuoto

Con due camere 2,1Con tre camere 1,9

Materiale Spessore d [mm] Uf W/( m2 K)]

Legno

20 2,6030 2,2040 2,0050 1,9070 1,65

100 1,42100 1,42130 1,22160 1,10

Metallo

4 4,26 3,78 3,5

10 3,312 3,215 3,120 3,1

48

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49

Riduzione delle dispersioni: i profili distanziatori

profilo in alluminio,

profilo in acciaio,

metallo variamente rivestito

metallo con taglio termico

fibra di vetro-polimero, poli-iso-butilene polimeri espansi (siliconici) materiali plastici (policarbonato)

49

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50

Distanziatori: il coefficiente di dispersione lineico, valori di

riferimento (UNI EN ISO 10077-1)

50

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51

Distanziatori: il coefficiente di dispersione lineico, valori di

riferimento (UNI EN ISO 10077-1)

51

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Ingresso dellenergia solare attraverso la finestra

Trasmissione diretta della radiazione solare

Assorbimento parziale della radiazione solare da parte degli

strati vetrati; il riscaldamento dello strato:

- causa una riemissione (dalla superficie interna della lastra

verso linterno) di parte dellenergia assorbita come IRverso linterno) di parte dellenergia assorbita come IR

- riduce il flusso termico tra la stanza e la superficie della lastra,

riducendo la differenza di temperatura tra laria ambiente e la

lastra vetrata (se la lastra di vetro diviene pi calda dellaria

interna, il flusso termico si dirige verso linterno)

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Parametri energetici: fattore solare FS o g

I)(cI)(FS

+=

Rapporto tra lenergia globale trasmessa oltre la lastra e quella incidente su di essa;

si considera sia lenergia direttamente trasmessa che quella assorbita e scambiata per

radiazione e convezione con linterno;

I

I)(cI)(FS

+= II I

c (I)(1-c) I

Il fattore solare anche indicato come total solar energy transmittance

TSET, e Solar heating gain coefficient SHGC.

Per lastre non trattate il valore di c viene di solito assunto pari a 0,3; con

ricoprimenti bassoemissivi si pu arrivare a 0,5.

53

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54

Coefficiente di Solar heat gain (SHGC)

o g-value (in Europa)

Considera entrambi gli effetti diretto (trasmissione ridotta) e

indiretto (ri-emissione di radiazione IR nella stanza e ridotte

perdite di flusso termico)

Per doppi vetri non trattati, SHGC = 0.7 e U = 2.5 W/m2/K

Le finestre potrebbero essere utilizzate con i seguenti valori: Le finestre potrebbero essere utilizzate con i seguenti valori:

- SHGC = 0.23 con U = 0.4 W/(m2 K), oppure

- SHGC = 0.60 con U = 0.7 W/(m2K)

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Dipendenza del fattore solare FS o g dallangolo di incidenza della radiazione

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DPR 59 -2009

Art. 4,comma 20

Nel caso di ristrutturazione di edifici esistenti di cui all'articolo 3, comma 2, lettera c),

numeri 1) e 2), del decreto legislativo, per tutte le categorie di edifici, cos come

classificati in base alla destinazione d'uso all'articolo 3, del DPR 26 agosto 1993, n. 412,

ad eccezione delle categoria E.6 ed E.8, il progettista, al fine di limitare i fabbisogni

energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli

Valori limite di legge

energetici per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli

ambienti, valuta puntualmente e documenta l'efficacia dei sistemi filtranti o schermanti

delle superfici vetrate, tali da ridurre l'apporto di calore per irraggiamento solare.

Gli eventuali impedimenti di natura tecnica ed economica all'utilizzo dei predetti sistemi

devono essere evidenziati nella relazione tecnica di cui al comma 25. La predetta

valutazione pu essere omessa in presenza di superfici vetrate con fattore solare (UNI EN

410) minore o uguale a 0,5.

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Parametri ottici: e, e, v, v

60

80

100T

r

a

s

m

i

t

t

a

n

z

a

(

%

)

visibile infrarossoUV

v

visibile Solare: visibile + IR + UV

0

20

40

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400Lunghezza d'onda (nm)

T

r

a

s

m

i

t

t

a

n

z

a

(

%

)

ChiaroGrigioBronzo

Verdee

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1 vetro assorbente e 2 vetro basso-emissivo

Senza basso emissivo 59%

Senza basso emissivo 2.9

emissivo 59%

Senza basso emissivo 40%

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Radiazione solare e vetro

La radiazione che giunge sulla superficie composta da

- Ultravioletto (poca)

- Visibile (0.4-0.7 m)

- Vicino Infrarosso (NIR) (0.7-4.0 m)

Circa la met dellenergia solare che raggiunge il suolo nel Circa la met dellenergia solare che raggiunge il suolo nel

campo del visibile e la met nellinfrarosso (NIR)

Le finestre che hanno un coefficiente SHGC pari a ~ 0.25

hanno circa il 50% di trasmissione nel visibile e ~ 0 nel

campo NIR cos da poter essere utilizzate per la luce

naturale (daylighting) ma riducono fortemente i guadagni

solari e quindi i carichi per il condizionamento estivo

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Riduzione della trasmissione di calore

attraverso le finestre

Uso di pi lastre di vetro

Vetro bassoemissivo (low-e)

Uso di gas inerte tra le lastre (Ar, Kr, Xe)

Vuoto tra le lastre

Telaio altamente isolato

Tenuta allaria

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Aspetti acustici

Lincremento delle prestazioni termiche favorisce la riduzione del rumore in ambiente ma nelle ambiente ma nelle ristrutturazioni occorre verificarne anche il rispetto dei limiti secondo il DPCM 05.12.97 sui requisiti acustici passivi degli edifici

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www.anit.itwww.anit.it

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63

Classificazione acustica di unit immobiliari in funzione dei requisiti prestazionali (UNI 11367)

Classe

Isolamento acustico

normalizzato di facciata

D2m,nT,w [dB]

Potere fonoisolante apparente di

divisori verticali e orizzontali fra ambienti di

differenti unit immobiliariRw [dB]

Livello di pressione sonora di calpestio normalizzato fra

ambienti sovrapposti e/o

adiacenti di differenti unit

immobiliariLnw [dB]

Livello sonoro corretto

immesso da impianti a

funzionamento continuo

Lic,eq [dB(A)]

Livello sonoro corretto

immesso da impianti a

funzionamento discontinuo

Lic,max, [dB(A)]

Qualora un requisito abbia caratteristiche peggiori rispetto a quelle proprie della classe IV, esso si considera non classificabile e viene caratterizzato con lacronimo NC.

Lnw [dB]

IIIIIIIV

43 40 37 32

56 53 50 45

53 58 63 68

25 28 32 37

30 33 37 42

11/03/2013

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