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“CONCETTI DI FISICA TECNICA APPLICATA AGLI EDIFICI”

nZEB NEARLY ZERO ENERGY BUILDING La scuola e l’energia sostenibile, un primo passo verso il 2020

a.a.2014/2015 Liceo ScienOfico Statale «P. Ruffini» -‐ VT

ING. MASSIMO MARANI ARCH. ALESSANDRA BIANCHI ARCH. MARCO BONI ARCH. STEFANO BELCAPO ING. SERGIO SAGGINI



PRINCIPI DI TRASMISSIONE DEL CALORE

Il fabbisogno di energia di un edificio durante il periodo di riscaldamento è la quantità di energia necessaria per soddisfare il fabbisogno di calore ai fini del benessere termico.



SI DEFINISCONO

fabbisogno di calore per il riscaldamento (Qh) [kWh/(m2a)] E’ la quantità di calore, di cui ha bisogno una unità abitativa per mantenere la temperatura di progetto negli ambienti riscaldati. E’ dato dalla differenza fra le dispersioni termiche complessive e i guadagni termici complessivi.

fabbisogno finale di energia (QE) [kWh/(m2a)] E’ la somma dell’energia fornita al sistema di riscaldamento per soddisfare il fabbisogno di calore e dell’energia necessaria per la produzione di acqua calda. Tale valore considera anche il rendimento dell’impianto di riscaldamento e le dispersioni del sistema di produzione dell’acqua calda.

fabbisogno di energia primaria (QP) [kWh/(m2a)] E’ la somma del fabbisogno finale di energia (QE) e dell’energia necessaria per l’estrazione, la trasformazione e la distribuzione del combustibile utilizzato (es.: gas, gasolio).



BILANCIAMENTO ENERGETICO EDIFICIO



MECCANISMI DI TRASMISSIONE DEL CALORE

La trasmissione di calore avviene attraverso tre meccanismi: CONDUZIONE TERMICA, CONVEZIONE TERMICA, IRRAGGIAMENTO TERMICO.



La conduzione termica è lo scambio di calore che avviene all’interno di mezzi solidi, liquidi o gassosi, quando, a causa di una differenza di temperatura, viene trasferita energia cinetica da molecole situate in regioni a temperatura maggiore verso altre molecole in aree adiacenti a temperatura più bassa. Il trasferimento di energia avviene per contatto molecolare, senza spostamento delle particelle.



La convezione termica è lo scambio di calore che avviene quando almeno uno dei due corpi interessati allo scambio termico è un fluido (mezzo liquido o gassoso) in movimento. Il calore viene trasmesso per effetto del trasferimento di materia. Il fenomeno si verifica quando un fluido entra in contatto con un corpo a temperatura maggiore rispetto a quella del fluido stesso. Con l’aumento della temperatura il fluido si espande, la sua densità diminuisce e, per effetto della spinta di Archimede, sale, in quanto meno denso del fluido a temperatura più bassa che lo circonda. Ciò genera moti convettivi in cui il fluido caldo sale verso l’alto e quello freddo si sposta verso il basso (convezione naturale). Quando i movimenti delle particelle del fluido sono imposti da cause meccaniche (pompa o ventilatore) si parla di convezione forzata.



L’irraggiamento termico è la trasmissione di calore tramite la radiazione elettromagnetica emessa dalla superficie di un corpo ad una determinata temperatura verso un corpo a temperatura inferiore. La trasmissione del calore avviene senza contatto tra i due corpi e senza bisogno di un mezzo per propagarsi; quindi avviene anche nel vuoto. Tut t i i corpi emettono e assorbono radiazioni elettromagnetiche che trasportano energia: quando queste radiazioni raggiungono un corpo, sono assorbite, determinano l’aumento dell’energia cinetica delle molecole e il conseguente incremento della temperatura. La trasmissione non dipende dalla distanza, ma dalla temperatura dei due corpi e dalle caratteristiche delle loro superfici. La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura. A basse temperature l’irraggiamento contribuisce in modo trascurabile allo scambio di calore rispetto ai meccanismi di conduzione e convezione; all’aumentare della temperatura cresce il contributo dell’irraggiamento rispetto agli apporti dovuti a conduzione e convezione.



La conduttività termica (λ) è una proprietà termofisica del materiale ed indica la quantità di calore che, per conduzione, in regime stazionario, attraversa uno strato di una sostanza di superficie unitaria (1 m2) perpendicolarmente alla superficie, nell’unità di tempo (1 s), quando la differenza di temperatura tra le due superfici dell’elemento è unitaria (1 K). L’unità di misura è W/(mK). Il regime stazionario prende in considerazione grandezze costanti nel tempo e trascura gli effetti derivanti dall’accumulo termico della struttura. Nel regime variabile, invece, le grandezze si modificano nel tempo e la struttura attenua o ritarda l’onda termica in funzione delle proprie caratteristiche di accumulo termico. Il regime stazionario rappresenta correttamente i fenomeni di trasmissione di calore durante il periodo invernale; è necessario considerare il regime variabile nel periodo estivo, in cui si verificano rilevanti oscillazioni di temperatura giornaliera e di radiazione solare. La conduttività termica indica la capacità teorica di un materiale omogeneo a lasciarsi attraversare dal calore.



La conduttività termica di un materiale dipende: dalla struttura del materiale (composizione, porosità). I materiali cristallini hanno elevati valori di conduttività in quanto nella struttura molecolare ordinata le oscillazioni molecolari si propagano con minime dispersioni di energia. I materiali porosi contengono numerose cavità riempite d’aria. La forma, la dimensione e la distribuzione dei pori influiscono sulla capacità termica. Forma: i pori sferici hanno migliore conducibilità dei pori allungati. Dimensione: molti pori di piccole dimensioni hanno migliore conducibilità di pochi pori di grandi dimensioni. Distribuzione: una distribuzione omogenea determina una migliore conduttività rispetto ad una distribuzione disomogenea.

LA CAPACITÀ ISOLANTE DI UN MATERIALE È INVERSAMENTE PROPORZIONALE ALLA SUA CONDUTTIVITÀ TERMICA.

Il diagramma mostra la relazione tra la densità del materiale e la conduttività termica: maggiore è la densità del materiale, minore è la sua capacità isolante.



I materiali inorganici (roccia, metalli) hanno conduttività maggiore rispetto ai materiali organici naturali (legno) e di sintesi (polimeri). I materiali solidi presentano valori di conduttività termica elevati in quanto le molecole sono vicine tra loro e il calore si trasmette in modo più efficiente. Nei materiali liquidi i legami intermolecolari sono allentati e quindi le molecole possono muoversi liberamente e urtarsi fra di loro. La trasmissione nei gas avviene per collisione fra molecole distanti fra loro; i gas, quindi, presentano valori di conduttività più bassi rispetto a quella dei liquidi e questi, a loro volta, inferiore a quella dei solidi. L’umidità aumenta la conduttività. Se i pori di aria sono riempiti di acqua si determina un aumento della trasmissione del calore alla temperatura del materiale. Nei solidi e nei liquidi, generalmente, la conduttività termica aumenta al crescere della temperatura. Nei gas, invece, quando la temperatura aumenta la conduttività diminuisce a causa dell’incremento dell’agitazione molecolare, con conseguente intralcio fra le molecole. Si definiscono materiali isolanti i materiali solidi generalmente non omogenei caratterizzati da una bassa conduttività termica; ciò è dovuto alla presenza di aria nelle porosità del materiale stesso. La normativa UNI EN ISO 10456 riporta i valori di conduttività termica dei principali materiali da costruzione.



TRASMITTANZA TERMICA “U” La trasmi)anza termica U è il parametro principale u4lizzato per calcolare le dispersioni termiche a)raverso l’involucro edilizio. Rappresenta il flusso di calore che a)raversa una superficie unitaria so)oposta a differenza di temperatura pari ad 1 °C. La sua unità di misura è il W/m2K. La norma di riferimento per il calcolo della trasmi)anza termica è la UNI EN ISO 6946:2008. CONDUTTIVITA’ TERMICA λ La conduRvità termica indicata con la le)era greca λ è una misura della qualità di una sostanza a trasme)ere il calore. E’ il rapporto, in condizioni stazionarie, tra il flusso di calore e il gradiente della temperatura che provoca il passaggio di temperatura. Dipende solo dalla natura del materiale e non dalla sua forma. Per i più comuni materiali da costruzione le norme di riferimento sono la UNI 10351:1994 e la UNI EN ISO 10456:2008. La unità di misura è il W/mK

λ = 0,04 0,10 0,13 0,16 0,42 2,00

Conducibilità termica λ in W/(mK) dei comuni materiali da costruzione:

8,00

Spessore del m

ateriale da costruzio

ne in

m

per u

n valore "U

" di 0,25 W/(m²K)

0,16 0,40 0,52 0,64

1,68

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

mat. isolante mattone extra conifera mattone poroso mattone calcestruzzo



λ = 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060

Conducibilità termica λ in W/(mK) dei materiali isolanti:

Spessore m

ateriali iso

lan?

in cm

per u

n valore "U

" di 0,20 W/(m²K)

15,0 17,5 20,0

22,5 25,0 27,5 30,0

0

5

10

15

20

25

30

polieur. lana di roccia EPS fibra di legno vetro cellulare schiuma minerale perlite



Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946 U = 1 / RT [W/(m²K)] con RT = Rsi + R + Rse

20,0°C 1

17,3°C

- 10,0°C

2 3 interno esterno

- 9,1°C

R se R si

Struttura dei componenti edili: 1 Intonaco in gesso: 0,015 m; λ

= 0,35 W/(mK) 2 Mattone multifori : 0,365 m; λ = 0,30 W/(mK) 3 Intonaco in cemento di calce: 0,020 m; λ = 0,87 W/(mK)



Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946

U = 1 / RT [W/(m²K)] con RT = Rsi + R + Rse

R = (0,015 : 0,35) + (0,365 : 0,30) + (0,02: 0,87) = 1,283 (m²K)/W

RT = Rsi + R + Rse = 0,13 + 1,283 + 0,04 = 1,453 (m²K)/W

U = 1 : 1,453 (m²K)/W = 0,69 W/(m²K)



Calcolo approssimativo dei valori "U"

Un mattone dello spessore di 36,5 cm ha un λ molto piccolo pari a 0,10 W/(mK), ovvero: 0,365 m : 0,10 W/(mK) = 3,65 (m²K)/W U = 1 : 3,65 (m²K)/W = 0,27 W/(m²K) Un materiale isolante dello spessore di 15 cm ha un valore tipico λ di 0,04 W/(mK), ovvero.: 0,150 m : 0,04 W/(mK) = 3,75 (m²K)/W U = 1 : 3,75 (m²K)/W = 0,27 W/(m²K) ⇒ 15 cm di materiale isolante portano allo stesso risultato di 36,5 cm dei migliori mattoni che sono sul mercato.



Calcolo dei valori "U" UNI EN ISO 6946

1 2 3 interno esterno

1 2 4 interno esterno

3 U = 0,26 W/(m²K) U = 0,22 W/(m²K)

Classica parete esterna monolitica: 1 base di calcegesso: 0,015 m; λ = 0,70 W/(mK) 2 blocco porizz: 0,365 m; λ = 0,10 W/(mK) 3 intonaco in cemento di calce; λ = 1,00 W/(mK)

Parete esterna ottimizzata con WDVS (o strato termico): 1 intonaco in calcegesso: 0,015 m; λ = 0,70 W/(mK) 2 mattone multifori: 0,240 m; λ = 0,32 W/(mK) 3 isolamento termico: 0,140 m; λ = 0,040 W/(mK) 4 intonaco in cemento di calce: 0,020 m; λ = 1,00 W/(mK)



Calcolo dei valori "U“ delle strutture della scuola

1 2 3 interno esterno U = ?

STRATIGRAFIA 1 intonaco esterno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ; 2 murature: 96 cm; λ = 1,5 W/(mK); C= 3,750 W/(m2K); d= 2000 Kg/m3; RT

= 1/C; Cp = 1200,00 J/Kg*K; 3 intonaco interno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ;



PARETE ESTERNA PIANO TERRA

1 2 3 interno esterno U = ?

STRATIGRAFIA 1 intonaco esterno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ; 2 murature: 71 cm; λ = 1,5 W/(mK); C= 3,750 W/(m2K); d= 2000 Kg/m3; RT

= 1/C; Cp = 1200,00 J/Kg*K; 3 intonaco interno (intonaci-malte-finiture) malta di calce o calce e cemento Spessore 2 cm ;



PARETE ESTERNA PIANO PRIMO

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