2- mammi- i materiali isolanti
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Ing. Sergio Mammi
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I MATERIALI ISOLANTI
Fondamenti di trasmissione del calore
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SOMMARIO DELLA PRESENTAZIONESOMMARIO DELLA PRESENTAZIONE
1. La trasmissione del calore2. La dipendenza della conduttività termica da altri
fattori3. I materiali isolanti4. La marcatura CE
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1.
La trasmissione del calore
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1.80150 000Fibra di legno
8 492 500Totale mercato 2005
2.40200 000Elastomeri1.80150 000PHT3.00250 000Lana di legno
0.032 500Fibre vegetali1.1495 000Sughero
19.181 600 000PUR10.96915 000 Lana di roccia18.941 580 000Fibra di vetro18.581 550 000XPS23.972 000 000EPS
% di mercatom³Materiale isolante
Indicazioni sul mercato dei materiali isolanti
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Meccanismi di trasmissione del calore sono:
Q = CONDUZIONE + CONVEZIONE + IRRAGGIAMENTO
Come funzionano gli isolanti
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La Conduzione
La conduttività λ rappresenta la quantità di calore trasmesso in un secondo attraverso una superficie i 1 mq da un materiale
avente spessore di 1m e salto termico di 1°C
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La Convezioneè la modalità di trasmissione del calore nei fluidi per mezzo di
trasporto di massa
L’ Irraggiamentoè lo scambio energetico che avviene tra due corpi a differente
temperatura, senza che vi sia alcun contatto diretto
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La CONDUZIONE quindi
- Trasmissione del calore tra due regioni aventi temperature differenti- dello stesso mezzo o fra mezzi diversi in contatto tra loro, senza trasporto di materia.
Il parametro che caratterizza la conduzione è:la conduttività λ W/mK .
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CONDUTTIVITACONDUTTIVITA’’
La conduttività termica, calcolata alla temperatura di esercizio, è determinata in base alla curva λ = f(t) della conduttività in funzione della temperatura media per ciascun materiale isolante.Il valore della conduttività è ottenuto per interpolazione utilizzando l’espressione:
( )fc ttdttf
−∑=λ
dove tc e tf sono rispettivamente le temperature del alto caldo e del lato freddo della coibentazione nelle reali condizioni d’uso.
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CONDUTTIVITACONDUTTIVITA’’
Andamento della conducibilità in funzione della temperatura
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CONVEZIONE CONVEZIONE
legge di Newton:
Q= α S (Tp-Te) t
*Trasmissione del calore fra solido e fluido
Te = temperatura del fluido misurata ad una certa distanza della superficieTp = temperatura superficiale della pareteS = superficie della paretet = tempoα = coefficiente di adduzione funzione del fluido, della condizione di moto del fluido, e della forma delle superfici
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IRRAGGIAMENTO IRRAGGIAMENTO
legge di Stefan- Boltzman:
*Scambio energetico tra due corpi a differente temperatura, senza alcun contatto diretto
ε = emissività del corpoε0 = emissività del corpo nero = 4,88 x 10 –8 [kcal/h m2 K4]K = potere emissivo del corpoT = temperatura assoluta del corpo [K]
q = ε T4 = K ε0 T4
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ej
j
i hs
hR
U11
11
+∑+==
λ
Superfici pianeSuperfici pianecalcolo semplificatocalcolo semplificato
( )ei TTAUQ −⋅⋅=Calore disperso nell’unità di tempo
Trasmittanza termica
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Coefficienti di scambio termico Coefficienti di scambio termico
Interno: αi = αic + αir
Esterno: αe = αec + αer
Coefficienti di scambio termico per convezione
Coefficienti di scambio termico per irraggiamento
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Coefficienti di scambio termicoCoefficienti di scambio termicoper convezione per convezione
W/ m2 K Kcal / m2 h °CTUBAZIONI INTERNO αc = 1,25 [ (Tp – Ta ) / De] 1/4 αc = 1,08 [ (Tp – Ta ) / De] 1/4
TUBAZIONI ESTERNO αc = 8,9 v 0,9 / De 0,1 αc = 7,67 v 0,9 / De 0,1
PARETE PIANA INTERNO (VERTICALE) αc = 1,32 [ (Tp – Ta ) / H] 1/4 αc = 1,18 [ (Tp – Ta ) / H] 1/4
PARETE PIANA INTERNO (ORIZZONTALE) αc = 3,2 (Tp – Ta ) 1/4 αc = 2,8 (Tp – Ta ) 1/4
PARETE PIANA ESTERNO (v<5m/s) αc = 5,57 + 4 v αc = 4,8 + 3,4 vPARETE PIANA ESTERNO (v>5m/s) αc = 7,1 v 0,78 αc = 6,12 v 0,78
Tp = temperatura pareteTa = temperatura ambientev = velocità dell’ariaDe = diametro esterno del tuboH = altezza della parete di scambio
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Corso per certificatori SACERT 16/74Asfalto 0.9
Alluminio ossidato 0.5
Alluminio lucidato 0.03
Mattoni 0.9
Calcestruzzo 0.85
Vetro 0.95
Acciaio inox 0.22
Fibra di vetro 0.95
Acciaio 0.8
Acciaio lucidato 0.1
Pittura bianca 0.55
Pittura grigia 0.8
Pittura nera 0.9
Argento 0.02
Rame 0.7
Vernice alluminato 0.2
Vernice all. invecchiata 0.5
Legno 0.9
EmissivitEmissivitàà di di alcunialcunimaterialimateriali
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Azione contemporanea dei tre meccanismi in materiale cellulare:
Conduzione nel materiale Conduzione nell’aria
Convezione nell’aria Irraggiamento
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Esempio di un’intercapedine delimitata da due muri e non ventilata
Se nell’intercapedine ci fosse il vuoto, l’unico meccanismo di trasmissione sarebbe l’irraggiamento
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Esempio di un’intercapedine delimitata da due muri e non ventilata
Se nell’intercapedine ci fosse aria, i meccanismi di trasmissione sarebbero irraggiamento e convezione
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Esempio di un’intercapedine delimitata da due muri e non ventilata
Se nell’intercapedine ci fosse un materiale omogeneo, solido e compatto, il meccanismo di trasmissione sarebbe la
conduzione
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Esempio di un’intercapedine delimitata da due muri e non ventilata
Con l’inserimento del materiale isolante sono presenti tutti i meccanismi di trasmissione del calore; un buon materiale isolante
riesce ad agire su tutti i meccanismi di trasmissione in atto
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La trasmittanza termica U
La trasmittanza termica è il flusso di calore che in condizioni di regime stazionario passa da un ambiente a un altro, attraverso una parete di separazione, per unità di superficie e per un grado di differenza di temperatura fra i due ambienti
Testerna
Tinterna
ΦΦΦΦΦ/A = U (Te,m – Ti)
trasmittanza
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La trasmittanza termica
RTi Te=
−ϕ
⋅W
Km2
UR T Ti e
= =−
1 ϕ
⋅ KmW2
pepi TTC
−ϕ=
⋅ KmW2
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+++++
==
ean
n
n
i hRRss
hR
U11
11
1
1
λλ
resistenza liminare sulla faccia esterna della parete misurata in W/m²K.1/he
resistenza termica di eventuali intercapedini in m² K /WRa
resistenza termica di strati di materiale non omogeneo in m²K/WRn = 1/C
resistenza termica di uno o più strati di materiale omogeneo in m²K/W in cui s è lo spessore dello strato misurato in metri e l è la conduttività termica utile del materiale in W/mK (ricavabile dalla norma UNI 10351 o da dichiarazione del produttore se il prodotto è soggetto a marcatura CE e corretto per tener conto delle reali condizioni di impiego)
s/λ
resistenza liminare sulla superficie interna della struttura misurata in W/m²K1/hi
La trasmittanza termica U
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I valori per il calcolo della trasmittanza si trovano nelle norme:
UNI 10351 Materiali da costruzione
UNI 10355 Murature e solai
UNI EN ISO 6946 Coefficienti liminari e intercapedini
La trasmittanza termica U
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Esempio di calcolo di U
Calcolo della trasmittanza termica di una struttura
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Calcolo della trasmittanza termica di una struttura
Esempio di calcolo di U
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Esempio di calcolo di U
soluzione esercizio …
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2.
La dipendenza della conduttività termica da altri fattori
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ConduttivitConduttivitàà e densite densitàà
I materiali isolanti hanno un ridotto valore di conduttività termica definito apparente perché considera tutti i meccanismi di trasmissione del calore:
-Conduzione
-Convezione
-Irraggiamento
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Il valore di conduttivitIl valore di conduttivitàà dipende da molti fattori:dipende da molti fattori:
La conduttività di un materiale dipende da molti fattori:
- le caratteristiche di produzione
- le condizioni di esercizio (temperatura, umidità relativa, posa in opera)
- l’invecchiamento
Si possono distinguere quindi:
-Conduttività misurata in laboratorio su un provino
-Conduttività media di produzione
-Conduttività significativa di produzione
-Conduttività dichiarata
-Conduttività di progetto
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Estratto UNI 10351 Estratto UNI 10351 –– Materiali da costruzioneMateriali da costruzione
0,0400,0390,039
101010
0,0360,0350,035
202530
polistirene espanso in lastre stampate
0,0590,0470,0440,0420,042
1010101010
0,0510,0430,0400,0390,038
3,6÷92,5÷6
1,8÷4,5
3,6÷92,5÷6
1,8÷4,5
1015202530
polistirene espanso sinterizzato in lastre ricavato da blocchi
0,0410,0400,040
101010
0,0370,0360,036
2,5÷62,5÷6
1,8÷4,5
2,5÷62,5÷6
1,8÷4,5
202530
polistirene espanso sinterizzato in lastre ricavate da blocchi UNI7891
0,045100,0413,9÷93,6÷915polistirene espanso sinterizzato
λ(W/mK)
m%
λm(W/mK)
δu 1012
(kg/msPa)δa 1012
(kg/msPa)ρ(kg/m3)
Materiale
Conduttività utile di calcolo(W/mK)λ
Maggiorazione percentuale%m
Conduttività indicativa di riferimento(W/mK)λm
Permeabilità del materiale nell’intervallo di umidità relativa 50 -95%(kg/msPa)δu
Permeabilità del materiale nell’intervallo di umidità relativa 0 -50%(kg/msPa)δa
Massa volumica del materiale secco(kg/m3)ρLEGENDA
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ConduttivitConduttivitàà funzione della temperatura:funzione della temperatura:
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ConduttivitConduttivitàà funzione della temperatura:funzione della temperatura:
La temperatura di esercizio influenza principalmente il comportamento radiativo del materiale isolante
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ConduttivitConduttivitàà funzione della umiditfunzione della umiditàà relativa:relativa:
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ConduttivitConduttivitàà funzione della umiditfunzione della umiditàà relativa:relativa:
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fattore di conversione temperatura
fattore di conversione umidità
La valutazione della conduttivitLa valutazione della conduttivitàà di progettodi progetto
amt FFF ⋅⋅⋅= 21 λλ
)( 12 UUfum eF −⋅=
)( 12 TTftt eF −⋅=
fattore di conversione invecchiamentoaF
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Coefficienti di conversione indicati nella norma UNI EN ISO 1045Coefficienti di conversione indicati nella norma UNI EN ISO 104566
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Coefficienti di conversione per invecchiamento per poliuretano eCoefficienti di conversione per invecchiamento per poliuretano espanso spanso
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Esempio di valutazione conduttivitEsempio di valutazione conduttivitàà di progettodi progetto
Influenza della temperatura sulla conduttività termica di un pannello di polistirene estruso (XPS) posto in copertura:
040.00 =λ( )KFt /10045.0=
CT °= 602
CT °=101
CT °=∆ 50 ( ) 252.1500045.012 === ⋅− eeF TTftt
050.0252.1040.012 =⋅=⋅⋅⋅= amt FFFλλ
La conduttività dichiarata risulta essere maggiore del 20% a causa dell’irraggiamento solare in copertura
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3.
I materiali isolanti
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I materiali isolanti termici
isolantilambda < 0.065
debolmente isolanti0.065-0.090
non isolanti>0.090
materiali
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Materiali isolanti
naturali sintetici
organici
naturali sintetici
inorganici
isolanti
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Materiali isolanti
fibre di poliestere
fibrosi
polietileneEPSXPS
PUR, melamina
cellulari porosi
sintetici
organici
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Materiali isolanti
fibre di legnolana di legnofibre vegetali
fibrosi
sughero
cellulari porosi
naturali
organici
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Materiali isolanti
amiantovermiculite
fibrosi cellulari
pomiceperlite
argilla esp.
porosi
naturali
inorganici
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Materiali isolanti
lana di vetrolana di roccia
fibrosi
vetro cellulare
cellulari
calcio silicatocem.cellulare
porosi
sintetici
inorganici
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4.
La marcatura CE
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• REQUISITI ESSENZIALI• DURATA UTILE DELL’EDIFICIO
• CERTIFICAZIONE
DIRETTIVA 89/106Prodotti della costruzione
Recepita con DPR 21.4.93 n.246
DIRETTIVA 89/106DIRETTIVA 89/106Prodotti della costruzioneProdotti della costruzione
Recepita con DPR 21.4.93 n.246Recepita con DPR 21.4.93 n.246
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I requisiti essenziali
• Per “materiale da costruzione” si intende qualsiasi prodotto fabbricato al fine di essere permanentemente incorporato in opere di costruzione le quali comprendono gli edifici e le opere di ingegneria civile.
• I prodotti da costruzione devono soddisfare i requisiti essenziali
• I requisiti essenziali possono essere applicabili tutti, alcuni o soltanto uno e devono essere soddisfatti per una durata di esercizio economicamente ragionevole.
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Cos’è un “buon isolante”:
Requisiti essenziali :• stabilità, • sicurezza al fuoco, • sicurezza nell’uso, • igiene,salute, protezione dell’ambiente • acustica, • risparmio energeticoCertificazione ( marcatura CE)
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Resistenza meccanica e stabilità:
l’opera deve essere concepita e costruita in modo che le sollecitazioni cui può essere sottoposta durante la costruzione e l’utilizzazione non provochino:
• Il crollo dell’intera opera o di una sua parte,• Deformazioni di importanza inammissibile,• Danni ad altre parti dell’opera o alle attrezzature
principali o ausiliarie in seguito ad una deformazione di primaria importanza degli elementi portanti,
• Danni accidentali sproporzionati alla causa che li ha provocati.
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Sicurezza in caso di incendio:
l’opera deve essere concepita e costruita in modo che, in caso di incendio la capacità portante dell’edificio possa essere garantita per un periodo di tempo determinato,
• La produzione e la propagazione del fuoco e del fumo all’interno delle opere siano limitate,
• la propagazione del fuoco ad opere vicine sia limitata, • gli occupanti possano lasciare l’opera o essere
soccorsi altrimenti, • sia presa in considerazione la sicurezza delle squadre
di soccorso;
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Igiene, salute e ambiente:
l’opera deve essere concepita e costruita in modo da non compromettere l’igiene o la salute degli occupanti o dei vicini e in particolare in modo da non provocare:
• Sviluppo di gas tossici,• Presenza nell’aria di particelle o di gas pericolosi,• Emissione di radiazioni pericolose,• Inquinamento o tossicità dell’acqua o del suolo,• Difetti nell’eliminazione delle acque di scarico, dei
fumi e dei rifiuti solidi o liquidi,• Formazione di umidità su parti o pareti dell’opera;
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Sicurezza nell’impiego:
• l’opera deve essere concepita e costruita in modo che la sua utilizzazione non comporti rischi di incidenti inaccettabili quali scivolate, cadute, collisioni, bruciature, folgorazioni, ferimenti a seguito di esplosioni;
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Protezione contro il rumore:
• l’opera deve essere concepita e costruita in modo che il rumore cui sono sottoposti gli occupanti e le persone situate nelle vicinanze si mantenga a livelli che non nuocciano alla loro salute e tali da consentire soddisfacenti condizioni di sonno, riposo e lavoro;
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Risparmio energetico e ritenzione di calore:
• l’opera e i relativi impianti di riscaldamento, raffreddamento ed aerazione devono essere concepiti e costruiti in modo che il consumo di energia durante l’utilizzazione dell’opera sia moderato, tenuto conto delle condizioni climatiche del luogo e degli occupanti.
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Gli isolanti termici
• Dal 1 dicembre 2004 non si possono piùimmettere sul mercato prodotti isolanti privi della marcatura CE; un nuovo decreto stabilirà che i prodotti già immessi possono permanere per altri 12 mesi
• La marcatura CE non è un marchio di qualità, ma la conformità alla norma armonizzata di prodotto e rappresenta il livello minimo di sicurezza per la applicazione prevista
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Gli isolanti termici - le norme europee armonizzate
• Lana minerale (MW) – UNI EN 13162• Polistirene espanso (EPS) – UNI EN 13163• Polistirene estruso (XPS) – UNI EN 13164• Poliuretano (PUR) – UNI EN 13165• Schiuma fenolica (PF) – UNI EN 13166• Vetro cellulare (CG) – UNI EN 13167• Lana di legno (WW) – UNI EN 13168• Perlite espansa (EPB) – UNI EN 13169• Sughero espanso (ICB) – UNI EN 13170• Fibre di legno (WF) – UNI EN 13171
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Non possiedono norme armonizzate
• Fibre di poliestere• Lana di canapa• Fibre di cellulosa• Polietilene espanso• Sughero agglomerato (biondo)• Lana di pecora, piume d’oca , fibra di cocco
ecc.
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certificazione
• Marcatura CE• Dichiarazione di conformità alla specifica di
prodotto (es. UNI EN 13168 per WW)• Rapporto del laboratorio notificato ( da
produrre nel sistema 1)• Etichettatura (codice di designazione : es. WW-EN 13168 –L1-W1-T1-S2-CS(10)200-Cl 2-MU5-
WS 4,40 )
• Allegato ZA
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Esempio di codice alfanumerico
es. WW-EN 13168 –L3-W1-T2-S3-CS(10)300 - BS(2000)500 – CI3 - MU5
ww: sigla del materiale (wood wool)EN 13168: norma EN di riferimentoL, W, T, S: limiti di tolleranzaCS(10)200 sollecitazione a compressione al 10% di deformazione in kPaWS assorbimento d’acqua a breve periodoBS resistenza a flessione (con luce specificata) in kPaCI 3 contenuto di cloruriMU trasmissione di vapore d’acqua pe diffusione
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Allegato ZA
Caratteristiche da dichiarare
• Reazione al fuoco• Permeabilità all’acqua• Resistenza termica• Permeabilità al vapore• Rilascio sostanze pericolose
nell’ambiente
NPD
• Indice di isolamento acustico• Indice di assorbimento acustico• Indice di trasmissione del
rumore impattivo• Resistenza a compressione• Durabilità della reazione al
fuoco• Invecchiamento• Durabilità della resistenza a
compressione
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λλλλ90,90 = λλλλm+k s λλλλ= conducibilità termica dichiarata (90% frattile con livello di confidenza del 90%),
R 90,90 = dn / λλλλ90,90 = resistenza termica dichiarata (90% frattile con livello di confidenza del 90%),
dn = spessore nominale del prodotto,λm = conducibilità termica media dei valori misurati,k = fattore funzionale del numero n di misurazioni disponibili,sλ = deviazione standard delle n misurazioni disponibili:
CONDUTTIVITA’ DICHIARATA
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Conduttività termica
Singola misura Nessun uso
N misure Marcatura CE
UNI EN ISO 10456-Umidità,
Temperatura,invecchiamento
λλλλ dichiarataλλλλ 90-90
λ λ λ λ progettoUNI 10351 Nessun uso per
Materiali CE
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RC
Rαα +
= 1intResistenza dell’intercapedine:
AsC ≥=int
025.0αTrasmissione per convezione:A=1.95 flusso ascendente
A=1.25 flusso orizzontale
flusso discendente44.0int12.0 −⋅= sA
ints spessore dell’intercapedine
Trasmissione per radiazione:111
4
11121
3
21
42
41
21
−+≅
−−⋅
−+=
εε
σ
εε
σα mR
TTTTT
21,εε
21,TT
-8105.67 ⋅=σ
emissività delle superfici,
temperature assolute delle superfici
costante di Bolzmann.
mT temperatura media
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