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Evoluzione tecnologica dei serramenti: dalle prestazioni termiche alle prestazioni acustiche G. CELLAI Università degli Studi di Firenze, Dipartimento TAeD “P. Spadolini”, gianfranco.cellai@taed.unifi.it Abstract La recente Direttiva europea 2002/91/CE finalizzata al miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici, unitamente al Decreto di recepimento n°192/05 mediante l’imposizione di requisiti termici minimi, mettono in particolare evidenza il ruolo centrale giocato dai serramenti nel controllo dei consumi energetici, invernali ma anche estivi, senza trascurare la qualità dell’illuminazione na-turale. D’altra parte i serramenti sono chiamati anche ad assicurare prestazioni in relazione all’isolamento acustico delle facciate dei fabbricati, di cui al DPCM 5.12.97. L’autore, a partire dal quadro legislativo e normativo venutosi a configurare, analizza l’evoluzione tecnologica dei serra-menti e delinea un quadro conoscitivo utile sia per i progettisti che per le imprese del settore edile, con particolare riguardo a quello residenziale che ha un peso rilevante nei consumi energetici glo-bali, evidenziando sia gli aspetti postivi prestazionali che gli aspetti critici, non ultimo l’inevitabile penalizzazione dell’illuminazione naturale per alcune delle soluzioni proposte. Simbologia Ag , Af area rispettivamente del vetro e del telaio (m²) dj spessore della lastra di vetro dello strato j (m) D2m,nTw isolamento acustico di facciata (dB) hr conduttanza radiativa (W/m²K) hg conduttanza del gas nell’intercapedine (W/m²K). Gr numero di Grashof (-) Pr numero di Prandtl (-) Nu numero di Nusselt (-) Rse è la resistenza termica superficiale esterna (pari a 0,04 m²K/W con vetro chiaro) Rsi resistenza termica superficiale interna (assunta pari a 0,13 m²K/W con vetro chiaro) Rs,j resistenza termica dell’intercapedine j Rw Indice di valutazione del potere fonoisolante (dB) s spessore dell'intercapedine (m) Ug trasmittanza termica della vetrata (W/m²K) Uf trasmittanza termica del telaio (W/m²K) Uw trasmittanza termica del serramento (W/m²K) ε emissività corretta della superficie (-); per vetro chiaro si assume ε = 0,837 per emissività normale εn = 0,89 (perpendicolare alla superficie) σ costante di Stefan-Boltzmann (5,67⋅10-8 W/m²K4) λj conduttività termica dello strato j (W/mK) Ψg trasmittanza termica lineare del distanziatore tra i vetri (W/mK) TL Flusso luminoso direttamente trasmesso attraverso il vetro (%) RL Flusso luminoso riflesso direttamente verso l'esterno (%) Tuv Flusso trasmesso di raggi ultravioletti (UV A+B, da 0,28-0,38 micron) (%) TE Flusso energetico direttamente trasmesso attraverso il vetro (%). RE Flusso energetico riflesso direttamente dalla lastra verso l'esterno (%) g Fattore solare (%) rapporto tra l'energia solare entrante (somma dell'energia passata diretta-

mente all'interno [TE] più quella assorbita dalle lastre e ritrasmessa all'interno per convezione e irraggiamento nello spettro dell'infrarosso lontano) ed energia solare incidente

SC coefficiente shading (%) è il rapporto tra l'energia solare totale che passa attraverso la vetra-ta considerata e l'energia solare totale che attraversa un vetro monolitico chiaro di riferimen-to di spessore 3 mm. In pratica è SC = g/87.

Ra Indice di fedeltà dei colori (-)

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1. L’EVOLUZIONE LEGISLATIVA E NORMATIVA E’ a partire dalla legge 373 del 1976 contenente le prime disposizioni cogenti in materia di riduzione dei consumi energetici, attuata mediante il controllo della potenzialità degli im-pianti, che si impone decisamente l’attenzione sui componenti finestrati: fatti due conti emerge immediatamente l’impossibilità di mantenere l’uso di serramenti dotati di vetri semplici caratterizzati da valori di trasmittanza insostenibili. Infatti, avendo il vetro per fine-stre una conducibilità termica λ=1 W/mK, con uno spessore di 4 mm ed un valore delle re-sistenze liminari pari a 0,17 W/m2K , si ottiene un valore di trasmittanza Ug = 6 W/m2K. Se si pensa poi che, approssimativamente, almeno 1/3 dei consumi energetici per riscalda-mento delle abitazioni sono da attribuire alle finestre, si comprende immediatamente l’importanza dell’incremento delle prestazioni di tali componenti. Da tali constatazioni si cominciano a studiare tutta serie di accorgimenti costruttivi finaliz-zati alla riduzione della trasmittanza, e di altri parametri come descritto in seguito, che fini-ranno per interessare non solo i vetri ma anche i telai di sostegno. Dal 1975 si era inoltre posta l’attenzione su un altro aspetto non secondario svolto dalle vetrate: quello relativo all’illuminazione naturale; è in tale anno che viene emanato il DM 5 luglio 1975[1], nel quale si prende coscienza che ai serramenti è demandato il compito di assicurare il comfort visivo, consentire il ricambio naturale dell’aria oltre a controllare i carichi termici invernali. Il parametro che caratterizza le prestazioni d’illuminazione natura-le è il Fattore medio di luce diurna FMLD per il quale si richiedono valori non inferiori al 2% per gli alloggi, con risvolti pesanti in termini di distanze tra edifici totalmente disattesi sul piano urbanistico, mentre su quello edilizio ci si ritiene soddisfatti con la regola pratica di assumere una superficie apribile pari ad 1/8 della superficie del pavimento del locale. Nel 1991 viene emanata la legge n°10 in attuazione del piano energetico nazionale: l’attenzione si sposta sul sistema edificio-impianto, si richiedono oltre a verifiche di potenza anche limitazioni ai consumi e rendimenti minimi agli impianti. L’attenzione sui serramenti si allarga agli apporti gratuiti dell’irraggiamento solare: il serramento è visto non solo come dispersore energetico ma anche come elemento che può portare apporti gratuiti, anche in veste di sistema passivo (serra). Purtroppo non si emanano i Decreti attuativi dell’art. 4 commi 1 e 2 che avrebbero potuto innescare progettazioni più virtuose sotto il profilo co-struttivo e tipologico anche dei vari componenti opachi e trasparenti. Dobbiamo quindi aspettare la Direttiva 2002/91/CE sulle prestazioni energetiche degli edi-fici ed il susseguente D.Lvo 192/05 [2] per avere una svolta decisiva anche nel modo di concepire i serramenti: si fissano valori minimi di trasmittanza per i vetri e per i serramenti nel loro complesso (vetro+telaio), varianti in funzione della zona climatica di appartenen-za, e nel contempo si porta l’attenzione anche sulla necessità di controllare i carichi ter-mici estivi, quantomeno con opportune schermature. Tuttavia, oltre che dagli aspetti termici, il vero elemento di novità è rappresentato dall’emanazione del DPCM 5.12.97 Requisiti acustici passivi degli edifici: con le prime veri-fiche fatte per soddisfare il requisito minimo d’isolamento acustico di facciata D2mnTw, va-riante da un minimo di 40 dB per le residenze ai 48 dB per gli edifici scolastici, si è imme-diatamente compreso che le facciate dotate di comuni serramenti non erano assoluta-mente in grado di soddisfare le esigenze suddette (cfr. Tabella B del decreto citato). In sintesi, ad oggi, la legislazione accennata ha comportato per i serramenti la verifica di requisiti che spaziano dal regime termico, invernale ed estivo, alla qualità dell’illuminazione naturale fino al controllo del rumore, in una visione olistica della proble-matica progettuale dei serramenti oramai inscindibile. L’evoluzione normativa è stata seguita di pari passo da quella tecnologica: il migliora-mento delle prestazioni di vetri e telai di sostegno, hanno portato alla nascita di finestre dotate di vetri speciali, con telai aventi elevatissime tenuta all’aria con risvolti sia sui con-

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sumi energetici ma anche della qualità dell’abitare finalizzata al benessere delle persone, quali il controllo dell’irraggiamento solare e la riduzione del rumore in ingresso. Ad esempio, un tipico serramento in legno, dotato di doppio vetro 4-6-4 (due lastre di ve-tro chiaro di sp. 4 mm con intercapedine d’aria di 6 mm) ha una trasmittanza di circa 3,3 W/m²K e, con le dimensioni delle finestre calcolate con la regola di 1/8, consente attual-mente di verificare i parametri della legge 10/91 (il Cd, coefficiente volumico di dispersio-ne termica ed il FEN, fabbisogno energetico normalizzato); tuttavia il potere fonoisolante Rw di tale serramento non supera i 30 dB: poiché le prestazioni della facciata sono condi-zionate dall’elemento acusticamente più debole, costituito dal serramento piuttosto che dalla muratura, ecco che il valore richiesto per Rw dovrà essere non inferiore a circa 35-36 dB per le residenze e a 44 - 46 dB per gli edifici scolastici. Il settore edilizio ha quindi spostato progressivamente la sua attenzione dalle prestazioni termiche, inizialmente soddisfatte dai comuni doppi vetri, a quelle acustiche ed ora nuo-vamente a quelle termiche ben più restrittive rispetto a quelle degli anni ‘90: il progettista è così costretto ad esaminare soluzioni tecnologiche per la progettazione delle finestre che, pur tenendo conto del rapporto aeroilluminante, devono consentire il soddisfaci-mento del requisito acustico e termico riducendo sensibilmente i consumi energetici ri-spetto alla pratica corrente. 2. PRESTAZIONI TERMICHE

A partire dal 1976, la necessità di dover ridurre le dispersioni termiche per trasmissione al fine di verificare il coefficiente di dispersione termica volumica Cd (W/m3K) della legge 373, ha di fatto imposto l’uso di doppi vetri uniti al perimetro, montati su telai dotati di una discreta tenuta all’aria. Dal punto di vista termico si adottano così in modo indifferenziato, da nord a sud, i doppi vetri uniti al perimetro, con telaio che sempre più spesso è di tipo metallico (alluminio) e in misura sempre minore in legno, mentre si affacciano sul mercato anche telai in PVC, grazie alla stabilità raggiunta da tale materiale. La situazione è rimasta immutata fino all’agosto del 2005 quando il D.Lvo 192 ha imposto i valori limite delle Tabelle I e II riferite rispettivamente al serramento (telaio + vetro) ed al so-lo vetro. E’ facile osservare come già da adesso i classici doppi vetri siano utilizzabili solo nelle zone A e B e quindi praticamente solo nel Sud d’Italia, mentre a partire dal 2009 spariranno pra-ticamente di circolazione, considerato anche la necessità di soddisfare le esigenze acu-stiche. I componenti finestrati (vetro + telaio) sono soggetti alle seguenti modalità di scambio termico:

- convettivo e radiativo tra le superfici esterne con l'aria ambiente adiacente a causa delle differenze di temperatura;

- radiativo, a lunghezze d'onda superiori a 2,5 μm (infrarosso), tra le superfici esterne e l'ambiente circostante ( terreno, edifici, cielo, ambiente interno, ecc.);

- radiativo, per l’irraggiamento solare diretto o per riflessione dall'ambiente circostante per lunghezze d'onda inferiori a 2,5 μm ( zona compresa tra l'ultravioletto e l'infrarosso)

- conduttivo-convettivo e radiativo all'interno delle intercapedini (per finestre semplici con vetri doppi o finestre doppie);

- per trasmissione dell'energia solare incidente.

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Il calcolo delle prestazioni termiche sono state oggetto di specifiche norme tecniche sia per i vetri sia per il serramento nel suo complesso quali, le UNI 7144 e 10345[3], sostituite ri-spettivamente dalla UNI EN 673[4] e UNI EN ISO 10077-1[5]. Unitamente alle prestazioni termiche, per le implicazioni energetiche ma anche acusti-che, si sono classificati i serramenti anche in funzione della tenuta all’aria con la UNI EN 12207 [6] che ha sostituito la UNI 7979, mentre le prestazioni in termini di trasmissione della radiazione luminosa e solare sono state normate dalla UNI EN 410 [7]. Trascurando gli effetti della radiazione solare e delle infiltrazioni d’aria, la trasmittanza ter-mica del serramento UW è data dalla seguente relazione riportata nella UNI EN ISO 10077 (v. figura 1):

UW = Ag Ug + Af U f + Ig Ψg / (Ag + Af ) (W/m²K) (1)

Ψg

Ug

Uf

Fig. 1 -

21

Per quanto attiene al componente vetrato la trasmittanza termica Ug è calcolata me-diante la seguente relazione in conformità alla EN 673 (v. figura 2):

Ug = 1/ (Rsi + ∑j j

djλ

+ ∑j

Rsj + Rse) (W/m²K) (2)

Fig. 2 - Resistenze termiche incontrate dal flusso di calore entrante/uscente

La descrizione delle prestazioni energetiche del componente finestrato avviene dunque mediante le suddette trasmittanze, tra le quali compaiono le resistenze liminari hi e he as-sunte convenzionalmente per vetri comuni, senza trattamenti, rispettivamente pari a 8 e 23 W/m2K. Dall’esame delle (1) e (2) appare evidente che il ruolo principale ai fini della resistenza termica è svolto dall’intercapedine vetrata il cui valore è dato da:

Rs = 1/hs = 1/(hr + hg) (m²K/W) Dopo l’iniziale successo dei doppi vetri, si sono susseguite una serie di ricerche tutte con-centrate ad incrementare le prestazioni dell’intercapedine (v. figura 3):

uso di gas con minor conduttività dell’aria; trattamento superficiale dei vetri con conseguente riduzione dell’emissività; frazionamento dell’intercapedine (con ulteriori vetri o con films); uso di distanziatori dotati di bassa conduttività termica.

Bassa emissività

Gas speciali e frazionamento dell’intercapedine

Miglioramento di telai e distanziatori

radiativi

conduttivi

convettivi

Conduttivi di telaio e del bordo di unione

Bassa emissività

Gas speciali e frazionamento dell’intercapedine

Miglioramento di telai e distanziatori

Bassa emissività

Gas speciali e frazionamento dell’intercapedine

Miglioramento di telai e distanziatori

radiativi

conduttivi

convettivi

Conduttivi di telaio e del bordo di unione

Fig. 3 - Trasmissione termica nelle vetrate e conseguenti azioni di controllo

Rs

esterno interno dλ

dλ

Rse Rsi

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2.1 La riduzione degli scambi termici conduttivi e convettivi Le prestazioni termiche di vetri singoli sono assai scarse se confrontate con quelle dei doppi vetri separati da una lama d’aria: rimanendo all’esempio precedente, un vetro chiaro singolo di 4 mm presenta una trasmittanza di circa 6 W/m²K contro una trasmittan-za di 3,3 W/m²K di un vetro doppio 4-6-4 con 6 mm di camera d’aria. Il miglioramento della prestazione è da attribuire alle resistenze termiche radiative e con-vettive-conduttive che si verificano nell’intercapedine contenente aria disidratata, di cui è sfruttata la bassa conducibilità termica λ pari a circa 0,025 W/mK, ovvero con una con-ducibilità termica 40 volte inferiore a quella del vetro. L’aria, come i gas in genere, posta in intercapedini ed in stato di quiete assicura elevati valori di resistenza termica, per cui si sarebbe tentati di aumentare lo spessore della stessa per incrementarne la resistenza dell’intercapedine: tuttavia si osserva che oltre spessori di circa 16 mm la resistenza termica tende a decrescere; ciò è dovuto all’insorgenza di moti convettivi nell’aria dell’intercapedine che innescano la convezione riducendo la resisten-za termica complessiva. Per ovviare a tale inconveniente e soprattutto per cercare di ot-tenere a parità di spessore resistenze termiche maggiori, si è pensato all’uso di gas diversi dall’aria. In Tabella III sono riportate le proprietà termofisiche di alcuni gas comunemente impiegati al posto dell’aria: essi hanno valori di conduttività più bassi e di viscosità dinamica più alti. In sintesi mediante l’uso di gas diversi dall’aria da un lato si può mantenere spessori dell’intercapedine elevati senza innescare moti convettivi, dall’altro si ottengono maggiori valori di resistenza termica con spessori più ridotti (v. Tabella IV [8]): quest’ultimo è un fatto essenziale dal punto di vista costruttivo e dei costi dovendo contenere lo spessore del te-laio del serramento. Volendo fare un confronto tra aria e Argon si può vedere che la pro-duzione nel primo caso si attesta normalmente su spessori fino a circa 12 mm, mentre con l’Argon sui 15-16 mm, con valori maggiori giustificati solo dalla necessità di incrementare il potere fonoisolante. Ciò si dimostra a partire dal calcolo della conduttanza del gas hg, data dalla seguente relazione:

hg = Nu λ/s

con Nu numero di Nusselt (-). Per moto laminare si ha: Nu = A (Gr Pr)n (3) dove: A è una costante (pari a 0,035 per superficie verticale); n è un esponente (pari a 0,38 per superficie verticale). Fisicamente Nusselt rappresenta il rapporto tra scambio termico convettivo hg e condut-tivo λ/s e quindi per valori ≤ 1 la resistenza termica è solo di tipo conduttivo (per valori < 1 si assume Nu = 1), viceversa si è in presenza di convezione e quindi si riduce la resistenza termica dell’intercapedine per valori >1. Valori contenuti di Nu si ottengono riducendo nella (3) Gr e/o Pr che rappresentano rispettivamente il rapporto tra forze di galleggia-mento e forze viscose del fluido ed il rapporto tra l’attitudine al trasporto della quantità di moto e l’attitudine al trasporto di calore (diffusività termica). Se osserviamo ancora la relazione (2) si vede come a parità di spessore complessivo dell’intercapedine, se la stessa viene frazionata, introducendo un terzo/quarto vetro, la resistenza della vetrata aumenta: ad esempio una intercapedine di 12 mm ha una resi-stenza termica di circa 0,16 m²K/W mentre due intercapedini 6+6 presentano una resisten-za di circa 0.26 m²K/W. Nella Tabella V sono riportati i risultati dei calcoli, con le stesse ipotesi assunte per la Tabel-la IV, usando aria e doppia-tripla intercapedine (vetri tripli/quadrupli) [8].

23

Tuttavia un vetro di spessore pari a 6 mm pesa 15 kg/m2 e pertanto un triplo/quadruplo vetro porta ad un peso di 45-60 kg/m2: ciò richiede telai di spessore maggiore e cerniere in grado di reggere tali pesi con ante aperte, che nel tempo possono manifestare svergo-lamenti.

Tab. III - Proprietà termofisiche di alcuni gas usati nelle intercapedini vetrate

Tab. IV - Valori di Rs per alcuni tipi di gas mantenendo un regime conduttivo*

Tipo di Gas Spessore s (mm) per valori di Nu ≤ 1

Grashof Rs (m²K/W)

Aria 16 0,76⋅104 0,194 Argon 16 1⋅104 0,214

SF6 5 0,83⋅104 0,163 Kripton 10 0,74⋅104 0,225

* doppi vetri con spessore 4 mm con emissività ε = 0,837, per una differenza di temperatura tra le superfici affacciate nell’intercapedine pari a circa 10 °C.

La ricerca ha portato alla produzione di film plastici (Teflon), stabili all’azione dei raggi ul-travioletti, di frazioni di millimetro e di peso trascurabile, che possono anch’essi avere pro-prietà basso-emissive, e che sono stati inseriti nelle intercapedini vetrate al fine di frazionarle aumentandone così la resistenza termica complessiva e riducendo peraltro i punti critici di tenuta del gas (v. figura 4).

Tab. V - Valori di Rs incrementando le intercapedini e mantenendo un regime conduttivo* [8]

n° di Vetri

Spessore s delle intercapedini (mm)

Rs1 (m²K/W)

Rs2 (m²K/W)

Rs3 (m²K/W)

Rs (m²K/W)

6+6 0,131 0,124 - 0,255 3

12+12 0,180 0,168 - 0,348

6+6+6 0,133 0,128 0,122 0,383 4

12+12+12 0,181 0,174 0,165 0,520

* gas aria, con le intercapedini 1, 2 e 3 numerate dall’esterno verso l’interno

Gas Temperatura di riferimento

°C

Massa volumica

Kg/m3

Viscosità dinamica

⋅ 10-5 Kg/ms

Conduttività termica λ

(W/mK)

Capacità termica

kJ/kgK

Aria 10 1,277 1,761 0,0250 1,008

Argon 10 1,699 2,164 0,0168 0,519

SF6 esafluoruro di

zolfo

10 6,360 1,459 0,0127 0,614

Kripton 10 3,560 2,670 0,0090 0,245

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Fig. 4 - Evoluzione tecnologica dal triplo vetro al film plastico

per il frazionamento dell’intercapedine

2.2 La riduzione degli scambi termici radiativi: i vetri basso emissivi Potendo fare il vuoto tra le lastre vetrate, lo scambio termico si riduce al solo irraggiamen-to e, indipendentemente dallo spessore, l’intercapedine raggiunge un valore massimo di Rs = 0,276 m²K/W per un salto termico tra le facce vetrate di circa 10 °C. Il valore della conduttanza radiativa hr tra due superfici affacciate su intercapedini vetra-te è dato dalla seguente relazione:

hr = 4 σ (1/ε1 + 1/ε2 –1)-1 Tm3 (4) Dalla (4) si rileva che tanto più bassi sono i valori delle emissività ε1 - ε2, tanto minore è il va-lore della conduttanza radiativa. I trattamenti superficiali al fine di ottenere vetri con emissività sensibilmente inferiore a quella dei comuni vetri sodico calcici, pari a 0,837, è stata introdotta al fine di incremen-tare le resistenze radiative (v. UNI EN 1096-1, 2000 Vetri rivestiti - Definizione e classificazio-

Due intercapedinisigillate a diversa pressione e temperatura

Vetro standardspesso e pesante

4 punti critici di tenuta del gas con due distanziatori

Film plastico

coating

coating

Distanziatore unico

2 soli punti critici di tenuta del gas

Vetrata con triplice in-tercapedine a doppiostrato di film plastico

Film plastico

coating

25

ne). I vetri basso emissivi raggiungono pertanto valori d’emissività fino a 10 volte inferiori a quelli del vetro comune. Il trattamento viene fatto generalmente in faccia due o tre con riferimento a figura 5, op-pure su entrambe le facce rivolte verso l’intercapedine. Più raramente si ricorre a vetri basso emissivi con trattamento in faccia 1 al solo fine di ridurre gli scambi termici radiativi con l’esterno, in quanto normalmente predomina lo scambio termico convettivo.

Fig. 5 - Identificazione delle facce dei vetri e posizione dei trattamenti (coating)

Più interessante è il trattamento in faccia 4 dove, in base alla relazione (5), si vede come assumendo valori di emissività pari a 0,1 si riduca di circa 9 volte il valore di hr dei vetri chiari comuni, rendendo trascurabile lo scambio termico radiativo a fronte di quello con-vettivo: infatti mentre la conduttanza radiativa hr per vetro comune è uguale a 4,4 W/m2K, per valori di ε minori a 0,837 si ha:

hr = 4,4 ε /0,837 (5) La conduttanza convettiva hc per superficie verticale e convezione naturale si assume convenzionalmente pari a 3,6 W/m2K, infine :

hi = hc + hr = 3,6 + (4,4 ε /0,837) (6) con hi = 8 W/m2K per vetri comuni. Nella figura 6 sono riportati i valori di Rs in funzione dello spessore dell’intercapedine e del valore dell’emissività (un solo vetro trattato). Nella figura 7 è riportato il bilancio termico per un vetro doppio con trattamento selettivo nei confronti dell’irraggiamento solare[9]. Il trattamento dei vetri è definito e classificato dalla UNI EN 1096-1, ed avviene sostanzialmente depositando uno o più strati di metalli, ossidi, fluoruri o altri composti caratterizzati da bassa emissività sul supporto costituito dal vetro di base.

1 2 3 4

esterno interno

1 2 3 4

esterno interno

coating

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Fig. 6 - Valori della resistenza dell’intercapedine Rs al variare dello spessore e dell’emissività (una sola superficie trattata)[5]

La UNI EN ISO 10077-1 riporta tabelle con valori precalcolati della trasmittanza Ug di vetra-te doppie e triple, in funzione del numero, dello spessore dei vetri e dell’intercapedine, del trattamento dell’emissività e del tipo di gas (v. Tabella V).

Fig. 7 - Diagramma del bilancio termico di una vetrata isolante di tipo basso-emissivo (coating in faccia 3)

Dall’esame della Tabella VI si evince, come il limite della trasmittanza si sposta a valori confrontabili con quelli di un muro isolato (circa 0,5 W/m2K). In breve nel volgere di pochi anni l’evoluzione tecnologica consente l’uso di vetrate a-venti trasmittanza minore di oltre 10 volte quella del vetro singolo (da 6 a 0,5 W/m2K). Si stima di raggiungere un obbiettivo di circa 0,3 W/m2K per incontrare le esigenze delle zero-energy house. Un ulteriore incremento delle prestazioni è poi atteso dal controllo di-

0.0000.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.500

6 9 12 15

spessore intercapedine (mm)

Rs

(m²/K

W) 0.837

0.40.20.1

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namico degli apporti solari che può ridurre ulteriormente i carichi termici invernali (aumen-to degli apporti gratuiti) ed estivi (riduzione dell’irraggiamento entrante). A causa dei costi l’uso di tali tipologie vetrate è attualmente assai ridotto: nel mercato dei serramenti degli USA la loro diffusione è pari a circa l’1%. 2.3 La limitazione dell’apporto energetico e luminoso: vetri riflettenti e selettivi Non meno importanti degli aspetti energetici sono quelli ottici che ovviamente hanno ri-flessi anche sul piano energetico considerato che circa il 42% dell’energia solare è irradia-ta nel campo del visibile. La trasmissione delle radiazioni solari attraverso un vetro è dipendente dalla lunghezze d’onda della radiazione incidente, dall’angolo d’incidenza e dal tipo di vetro attraversa-to dalla radiazione (spessore e presenza o meno di trattamenti superficiali), nonché dalla geometria del sistema finestrato. I parametri che esprimono le prestazioni ottiche ed energetiche nei confronti dell’irraggiamento solare sono rispettivamente la trasmissione luminosa TL (%) ed il fattore solare g (%) entrambi definiti dalla EN 410 per il campo di lunghezze d’onda comprese nel visibile (0,38 – 0,74 μm) e dall’ultravioletto all’infrarosso vicino (0,3 - 2,5 μm). Per assicurare una buona protezione dall’irraggiamento solare un vetro deve avere un va-lore g compreso tra il 15 ed il 20%, tuttavia ciò comporta una forte riduzione di TL, con conseguente peggioramento dell’illuminazione naturale. Un altro parametro degno d’attenzione è la trasmissione dei raggi ultravioletti Tuv (0,3- 0,38 μm) per gli effetti di decolorazione che gli stessi hanno sui tessuti. Il trattamento superficiale del vetro (coating) può essere pertanto fatto sia per ridurre l’emissività ma anche per controllare l’apporto solare e luminoso: esso può essere di tipo chimico o fisico; nel primo caso si sfrutta l’elevata temperatura del vetro all’uscita del for-no Float di colata (circa 600 °C) per fissare lo strato di trattamento (coatings pirolitici); nel secondo caso si usano impianti separati, tra i quali il più avanzato è quello denominato “Magnetron Sputtering” che consente il deposito dei metalli per ionizzazione sottovuoto in diversi strati di films, consentendo una vasta gamma cromatica ed una elevata variabilità dei parametri luminosi ed energetici; tali depositi sono denominati magnetronici o sotto-vuoto e sono alla base della produzione dei vetri speciali con proprietà molteplici deno-minati antisolari, basso-emissivi e selettivi. Con il deposito pirolitico si raggiungono valori dell’emissività fino a circa 0,2 ÷ 0,3, mentre valori inferiori si ottengono con il deposito sottovuoto. In funzione delle prestazioni i vetri speciali possono pertanto essere classificati in [9]:

a) Vetri antisolari -riflettenti b) Vetri per isolamento termico - basso-emissivi c) Vetri antisolari basso-emissivi-riflettenti (Vetri Selettivi)

a) I vetri antisolari-riflettenti sono stati studiati per limitare l'apporto energetico e luminoso della radiazione solare esterna, incidente sulla superficie del vetro. Questo comportamen-to e dovuto alla proprietà del coating di riflettere verso l'esterno e di assorbire l'energia so-lare incidente facendola passare solo in parte. Analogo comportamento lo si ottiene per la radiazione luminosa che viene in parte riflessa, in parte assorbita ed in parte trasmessa (v. figura 7). I vetri riflettenti trovano il loro naturale impiego nelle odierne architetture hi-tech con facciate in vetro strutturale nelle quali è prioritario il controllo della radiazione so-lare per ragioni di comfort, dando un contributo essenziale alla riduzione delle spese di esercizio degli impianti di climatizzazione; infatti, il principio con cui sono stati progettati i vetri antisolari si basa essenzialmente sulla diminuzione del flusso luminoso esterno che por-ta alla riduzione dell'apporto energetico. b) I vetri basso-emissivi, come evidenziato in precedenza, sono finalizzati ad ottimizzare l'i-solamento termico e, nel contempo, senza penalizzare eccessivamente l'apporto di luce ed energia solare proveniente dall'esterno. L'emissività del coating è minore anche rispet-

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to ad un vetro Riflettente. I vetri basso-emissivi sono impiegati soprattutto nei paesi con clima freddo.

Tab. VI - Trasmittanza termica Ug di vetrate doppie e triple riempite con differenti gas [5]

29

c) I vetri antisolari-basso-emissivi racchiudono nello stesso coating di rivestimento le carat-teristiche dei due vetri sopra descritti (vedi figura 8). A differenza dei vetri antisolari per-mettono un maggior passaggio del lusso luminoso a fronte di un sempre limitato apporto energetico della radiazione solare: pertanto vengono detti vetri Selettivi. Rispetto ai vetri basso-emissivi hanno emissività eguali se non più basse e, di conseguenza, hanno ottimi valori di isolamento termico. Il loro impiego è ottimale nelle regioni con clima temperato dove si alternano stagioni fredde e calde. Un comportamento analogo lo si può ottenere assemblando in vetrata isolante un vetro antisolare-riflettente con uno basso-emissivo: in tal caso però il flusso luminoso è ridotto come nei vetri riflettenti (v. figura 9). Nella Tabella VII è riportato il campo delle prestazioni dei vetri speciali con trattamenti di tipo fisico e magnetronico (tipologia del vetro 6-12-6), che consente un immediato riscon-tro tra prodotti vetrari aventi stesso tipo di prestazioni ma differenti processi produttivi. Con il trattamento fisico il coating riflettente e basso-emissivo è posto in faccia 2 mentre con il magnetronico il coating riflettente è in faccia 2 ed il basso-emissivo in faccia 3

Tabella VII - Prestazioni di prodotti speciali presenti sul mercato [adattata da 9] TL RL g Ra Tuv Ug Parametro

min max min max min max min max min max min max coating

fisico 20 66 12 54 13 49 85 95 6 20 1,1* 2,9

coating magnetronico

7 33 8 46 8 33 93 97 3 24 1.1* 2,9

* con gas Argon e una lastra con ε = 0.05

L’aspetto estetico dei vetri è molto importante per le opere d’architettura; con i vetri speciali è possibile ottenere diverse gamme di colori tipo argento, bleu, bronzo, verde, grigio, ecc.

Fig. 7 - Prestazioni termiche ed ottiche di una vetrata antisolare-riflettente (coating in faccia 2) [9]

TL = 18 g = 22 SC =25

30

Fig. 8 - Vetrata selettiva antisolare basso-emissiva - Diagramma del bilancio termico e luminoso[9]

TL = 49 g = 36 SC = 41

Fig. 9 - Vetrata selettiva antisolare basso-emissiva e riflettente - Diagramma del bilancio termico e

luminoso[9]. TL = 33 g = 30 SC = 34

Tuttavia il problema alla base dell’uso di tali vetrate è costituito dal basso valore della tra-smissione luminosa, e dalla possibile alterazione della percezione dei colori all’interno dei locali, che può richiede una integrazione con luce artificiale anche in periodo diurno.

31

Nelle grandi opere di architettura si evitano tali problematiche realizzando pozzi di luce interni agli edifici, talvolta vere e proprie piazze, sostanzialmente schermati all’irraggiamento solare diretto, e verso i quali si utilizzano vetrate che assicurano elevati valori di TL. 3. LE PRESTAZIONI ENERGETICHE DEI TELAI L’altro componente del serramento è costituito dal telaio. Due sono gli aspetti essenziali che sono stati presi in esame ai fini delle prestazioni termiche, con sviluppi anche per quel-le acustiche:

- l’uso di telai metallici con taglio termico; - l’uso di distanziatori con bassa conducibilità termica; - l’incremento della tenuta all’aria.

Per ridurre il ponte termico, in corrispondenza del telaio metallico, causa anche di con-densazione del vapor d’acqua, si è fatto ricorso a soluzioni costruttive definite a taglio termico; il taglio può essere considerato tale solo se separa completamente le sezioni del profilo metallico del lato freddo dalle sezioni del lato caldo. Le suddette tipologie costruttive si realizzano con l’inserimento nel telaio di materiale pla-stico a bassa conduttività termica (ad esempio listelli di poliammide rinforzati con fibra di vetro). Nella figura 10 è rappresentato un tipico telaio in alluminio con e senza taglio termico.

Fig. 10 - Esempi di tipici telai in alluminio senza e con taglio termico (listelli di poliammide)

Telaio senza taglio termico

Telaio con taglio termico

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La trasmittanza termica di un telaio in alluminio è pari a circa 6 W/m²K, confrontabile quindi con quella di un vetro singolo, che si riducono a circa 3 W/m²K con il taglio termico. Per i telai metallici a taglio termico in genere, la UNI ENISO 10077-1 (v. prospetto D.4 app.D) fornisce valori di Uf in funzione della più piccola distanza tra sezioni opposte di al-luminio, d, in mm (v. figura 11), e del valore di conducibilità termica del materiale di taglio termico (compresa tra 0,1 e 0,3 W/mK). In figura 11 è riportata la sezione di un tipico profilo in alluminio ed i corrispondenti valori Uf in funzione delle dimensioni (NC) dello stesso.

Fig. 11 - Sezione di un profilo in allumnio e valori della trasmittanza Uf (fonte Ditta METRA)

Con telai in materie plastiche la UNI suddetta (v. prospetto D.1 app.D) da un valore della trasmittanza Uf che varia tra 2,0 (PVC con profilo vuoto) e 2,8 W/m²K (poliuretano con a-nima di metallo) e quindi è simile a quella del legno (v. figura 12). Per i telai in legno le stesse norme forniscono un grafico di calcolo in funzione dello spesso-re df e della natura del legno, riportato in figura 13. Poiché i telai in legno hanno spessori normalmente compresi tra 50 e 60 mm, la trasmittan-za varia tra 1,9 e 2,3 W/m²K, e quindi è generalmente inferiore a quella dei telai metallici con taglio termico.

Profili in alluminio Valore Uf (W/m2K)

NC 72.1 STH 2,1 - 2,4

NC 72 STH 2,3 - 2,8 NC 65 STH 2,4 - 3,3 NC 50 STH NC 68 STH

2,8 - 3,7 2,6 - 3,5

NC 45 STH 3,2 - 4,2

d NC

33

Fig. 12 - Serramento in PVC con doppia guarnizione e telaio di rinforzo in tubolare d'acciaio

Fig. 13 - Trasmittanza Uf di telai in legno [5]

La trasmittanza termica della vetrata, Ug, è applicabile all’area centrale della stessa e non include gli effetti dei distanziatori del vetro posti sul bordo dello stesso. La trasmittanza termica lineare Ψ tiene conto della conduzione termica aggiuntiva dovuta all’interazione tra il telaio, la vetrata e il distanziatore. Per distanziatori in alluminio e in acciaio, la UNI EN ISO 10077-1 indica valori di Ψ, per una specifica gamma di tipi di telai e vetrate, varianti

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tra 0,02 e 0,08 W/mK (v. prospetto VIII1), con i valori inferiori per distanziatore in materiale plastico. Tab. VIII - Valori della trasmittanza termica lineare Ψ per distanziatori per vetro in alluminio e in ac-ciaio

Nella Tabella IX sono riportati alcuni valori della trasmittanza della finestra Uw in funzione di Ug e Uf , tenuto conto dell’influenza di Ψ. Ebbene si può vedere che l’influenza del telaio è tanto maggiore quanto minore è la tra-smittanza del vetro. Tab. IX - Trasmittanze termiche per finestre con percentuale dell’area di telaio pari al 30% dell’area

dell’intera finestra (UNI EN ISO 10077-1)

In particolare in base al D.Lvo 192/05, a partire dal gennaio 2009 si deve puntare a valori di Uw varianti tra un minimo di 2,2 e 3,0 W/m2K (Zone C,D,E,F), pertanto, con telai metallici, sarà obbligatorio l’uso di profili a taglio termico di elevata prestazione. Ad esempio, per le zone F è richiesto Ug = 1,6 e Uw = 2,2 W/m2K: tali valori possono essere soddisfatti con valori Uf ≤ 2,6 W/m2K non tanto facili da raggiungere (v. figura 11). Nella Tabella X sono riportati, in funzione delle zone climatiche i valori Uf richiesti per soddi-sfare il requisito. L’ultimo, ma non per questo meno importante, è l’aspetto della tenuta all’aria del serramento, che può essere espressa mediante classificazione della permeabi-lità all'aria del campione sottoposto a prova riferito all'intera area [6].

1Questi valori sono ricavati per vetrate doppie a bassa emissività, Ug ~ 1,3 W/(m2·K) e per vetrate triple a bassa emissività, Ug ~ 0,7 W/(m2·K).

Ug Uf

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Tab. X - Valori massimi di Uf per il D.Lvo 192/05 a partire dal 1/1/20091

Zona climatica A B C D E F

n° di Vetri

2 Ug Uf Ug Uf Ug Uf Ug Uf Ug Uf Ug Uf 5,02 3,8 3,0 3,8 2,3 3,8 2,1 3,4 1,9 3,4 1,6 2,6 Uw 5,02 3,6 3,0 2,8 2,5 2,2 1finestre con telaio pari al 30% della superficie della finestra 2valore non realistico dovendo soddisfare il requisito acustico

La classificazione è fatta in 4 classi, assumendo il valore di permeabilità per una pressione di riferimento di 100 Pa (v. Tabella XI). Poiché i serramenti devono comunque assicurare tenute all’aria non inferiori alle classi 3-4 per soddisfare i requisiti acustici, è necessario che il telaio sia dotato di almeno due guarnizioni di tenuta sulla battuta (v. figura 14).

Tabella XI - Classificazione tenuta all’aria alla pressione di 100 Pa

e scadimento prestazione acustica

Dall’esame dei valori di Tabella XI appare evidente che le infiltrazioni d’aria possono rap-presentare il contributo maggiore in assoluto alle dispersioni termiche, oltre che una pena-lizzazione in termini di prestazioni acustiche, per valori di tenuta inferiore alla classe 3.

Fig. 14 - Sezione schematica di serramento in legno con doppia guarnizione

Classe Portata aria di infiltrazione (m3/h m²)

Penalizzazione acustica*

(dB) 1 27-50 5-8 2 9-27 2-5 3 3-9 1-2 4 1-3 ≤ 1

* Possibile correzione da applicare al potere fonoisolante Rw del serramento

Guarnizioni di tenuta

Guarnizioni di tenuta

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4. PRESTAZIONI ACUSTICHE Il decreto 5 dicembre 1997 [10] ha stabilito i valori minimi d’isolamento acustico di faccia-ta D2m,nT,w (v.Tabella XII), in funzione della diversa tipologia degli edifici. I valori minimi si rife-riscono ai componenti in opera, e possono pertanto essere soggetti a collaudo a costru-zione ultimata. Per le facciate con componenti finestrati, il rispetto dei valori suddetti im-pone ai serramenti prestazioni particolarmente elevate, ed in special modo al vetro: in al-tri termini è il serramento che condiziona la prestazione d’isolamento acustico della fac-ciata.

Tab. XII – Valori minimi di isolamento acustico di facciata [10]

categoria di edificio D2m,nT,w residenze, alberghi, pensioni e simili 40

uffici, edifici per il culto, il commercio e simili 42

ospedali, cliniche, case di cura e simili 45

scuole e simili 48

La prestazione acustica di un serramento, espressa dall’indice di valutazione del potere fonoisolante Rw, (dB) è condizionata in ordine d’importanza:

• dalla tipologia e dal numero di vetri; • dalla tenuta all’aria del telaio (v. Tabella XI); • dal distanziatore.

Le prestazioni acustiche di finestre dotate di vetrate termoisolanti classiche, tipo 4-12-4, aventi circa Rw = 30 dB non sono tali da soddisfare i requisiti acustici richiesti per le prote-zione delle facciate, qualunque sia la categoria degli edifici (v. Tabella XII). Occorrono valori Rw di circa 37-38 dB per le residenze e a crescere progressivamente fino a raggiungere valori prossimi a 46 dB per le scuole. Dall’esperienza delle valutazioni eseguite su progetto e collaudi in opera, si può conside-rare che, all’incirca, il valore di Rw del serramento può essere dedotto dall’isolamento a-custico richiesto dalla facciata con la seguente relazione:

Rw = D2m,nT,w - 2÷4 dB (5)

La relazione (5) è valida a condizione che il serramento presenti un’elevata tenuta all’aria e la posa in opera sia eseguita a regola d’arte, ovvero senza creare dei ponti acustici in corrispondenza della giunzione telaio-muratura. Per quanto attiene la prestazione acustica dei vetri, considerato che l’intercapedine, per le considerazioni termiche esposte, non raggiunge spessori superiori a 18-20 mm, questa è affidata essenzialmente alla massa superficiale totale del vetro m’ (kg/m²) e, a parità di massa, alla utilizzazione di vetri stratificati tra loro desolidarizzati dalla presenza dello strato elastico: Il caso ha quindi voluto che le vetrate stratificate (v. UNI EN ISO 12543-1/6), nate per ra-gioni di sicurezza antieffrazione e antinfortunio, offrano un sensibile miglioramento nelle prestazioni acustiche, da qui il loro rapido diffondersi tanto da diventare oramai insostitui-bili. Il miglioramento è da attribuire alla composizione delle vetrate: esse sono infatti costi-tuiti da due o più lastre unite tra loro mediante uno o più strati plastici che funge da col-lante, e che ha un effetto smorzante sulle vibrazioni sonore. Tra i materiali plastici più diffusi vi è il PVB (Polivinilbutirrale), usato normalmente in spessori fino a circa 0.9 mm (doppio strato), ora sostituito da resine speciali appositamente studiate a fini acustici. Il materiale plastico consente un incremento delle prestazioni da 2 a 5 dB, come si evince dalla figura

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15, dove sono riportati l’andamento dei valori d’isolamento acustico R per vetri singoli e stratificati con diversi tipi di materiale: in pratica con l’uso di resine si riesce ad eliminare il fenomeno della coincidenza dal campo di frequenze di pratico interesse. Per mantenere le proprietà elastiche del materiale, nel caso di doppi vetri di cui uno solo stratificato è consigliabile disporre quest’ultimo verso l’interno (lato caldo). La desolidarizzazione deve essere assicurata anche dal distanziatore, e pertanto è neces-sario che non sia rigido ma elastico: ciò consente alle lastre di vibrare in modo indipen-dente esaltando così la prestazione complessiva; al fine di contenere fenomeni di coinci-denza sonora, che penalizzano le prestazioni acustiche, è anche consigliato differenziare lo spessore dei vetri (v. figure 16 e 17). Peraltro anche il taglio termico contribuisce alla de-solidarizzazione in esame.

Fig. 15 - Valore del potere fonoisolante di vetrate semplici e composte (fonte Saint-Gobain Glass)

Per quanto attiene alla prestazione complessiva del serramento, l’influenza del telaio può essere valutata facendo riferimento alla figura 17 tratta dal prEN 14351[11], dove il valore Rw della finestra è desunto empiricamente da quello del vetro, generalmente fornito dai produttori. La figura 18 fa riferimento a classi di tenuta all’aria ≥ 2, e prevede valori non superiori a 45 dB per il serramento; per valori superiori a 37 dB è necessario utilizzare alme-no due guarnizioni di tenuta sulla battuta dell’anta apribile. Dall’esame del grafico è possibile rilevare che il telaio esercita un’influenza negativa sulla prestazione del vetro a partire da valori superiori a circa 38 dB: questo significa che, per ottenere le prestazioni richieste dalla legge, è necessario porre molta attenzione nell’esecuzione del telaio; in pratica questo deve essere in grado non solo di sopportare nel tempo il peso maggiorato ai fini acustici della vetrata, ma anche di mantenere inva-riate le capacità di tenuta all’aria.

Fig. 16 - Andamento dei valori R per vetri singoli di spessore 4 e 8 mm: la frequenza di coincidenza si

verifica rispettivamente intorno a 3000 e a 1500 Hz.

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Fig. 17 - Andamento dei valori R per vetrate doppie con vetri simmetrici e asimmetrici

Fig. 18 - Isolamento acustico di una finestra singola in funzione dell’isolamento acustico del vetro

(C = correzione con spettro di rumore rosa; Ctr = correzione con spettro di rumore da traffico) Recentemente il GdL UNI di Acustica ha messo a punto una bozza di Linee Guida per il calcolo e la verifica di progetto dei requisiti acustici dei componenti[10], nelle quali è ri-portato un prospetto delle prestazioni acustiche dei serramenti per diverse tipologie. Nel prospetto suddetto, note le caratteristiche del vetrocamera montato sul serramento o noto il suo potere fonoisolante misurato sperimentalmente, dalla posizione delle guarnizio-ni è possibile ricavare il valore medio del potere fonoisolante del serramento. Dal valore Rw del serramento, mediante dei fattori correttivi, è poi possibile calcolare il valore di pro-getto Rwfinestra da utilizzare nei calcoli previsionali. 5. CONCLUSIONI Esaminando alcuni tipici valori dei vetri aventi prestazioni acustiche superiori a 37 dB e classe di tenuta all’aria superiori a 2, si è ottenuta la Tabella XIII, nella quale si conferma che il soddisfacimento del suddetto requisito comporta anche prestazioni termiche miglio-ri rispetto ai 3÷3,5 W/m²K dei doppi vetri comuni. Ovviamente i valori della trasmittanza possono essere ulteriormente ridotti utilizzando vetri bassoemissivi o gas diversi dall’aria. Si osserva, tuttavia, che la trasmissione luminosa dei vetri acustici è ridotta rispetto ai doppi vetri comuni, normalmente superiore all’80%, con valori particolarmente bassi per i vetri

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trattati; di tale aspetto occorre tener conto nella valutazione del fattore medio di luce diurna al fine di non trovarsi in situazioni critiche, penalizzanti anche dal punto di vista e-nergetico[11].

Tab. XIII - Prestazioni acustiche e termiche di alcuni tipi di serramenti

Tipo di vetro* (spessore in mm)

Rw

vetro dB

Correzione prEN 14351

(dB)

Rw serramento

dB

Trasmissione luminosa

%

Trasmittanza Ug W/m²K

6-12-33.1 37 - 37 79 2,8 6-12-44.1 38 - 38 78 2,8 8-12-44.1 40 -1 39 77 2,8

10-12-44.1 41 -1 40 76 2,8 6-16a-44.1e 41 -1 40 66 1,5 10-12-44.2 42 -1 41 76 2,8

44.2-12-64.2 43 -2 41 76 2,8 10-16-88.2 45 -3 42 72 2,6

44.2-20-64.2 47 -3 44 76 2,7 * il primo numero indica lo spessore del vetro esterno, il secondo lo spessore dell’intercapedine, il terzo lo spessore del vetro stratificato e dello strato elastico, a = ar-gon, e= vetro basso emissivo

Riferimenti bibliografici 1. DM 5 luglio 1975, Modificazioni alle istruzioni ministeriali relativamente all'altezza minima ed ai

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