1

Involucro dell’edificio

Strutture opache e trasparenti:

Università IUAV di Venezia

Strutture opache e trasparenti:tipologie,proprietà termiche ed energetiche

Piercarlo Romagnoni

2

Vetro e finestre

3

La caratterizzazione di un sistema vetrato:

• proprietà ottiche

le caratteristiche ottiche, in particolare la trasparenza, sono determinati per

l’impiego del vetro in edilizia

Il comportamento dei materiali nei confronti della radiazione sono quantificate daicoefficienti:

• di riflessione r = Grifl/ Gincenergia riflessa

energia incidente

• di trasmissione t = Gtrasm/ Ginc

• di assorbimento a = Gass/ Ginc

Per il principio di conservazione dell’energia vale:

Gass + Grifl + Gtrasm = Ginc

a Ginc + r Ginc + t Ginc = Ginc

t + r + a = 1

energia trasmessa

riflessa

energia assorbita

4

La caratterizzazione di un sistema vetrato:

I coefficienti sono funzione

della lunghezza d’onda λλλλ e dell’angolo di incidenza θθθθ della radiazione incidente

r = r(λ,θλ,θλ,θλ,θ) t = t(λ,θλ,θλ,θλ,θ) a = a(λ,θλ,θλ,θλ,θ)

5

Parametri sintetici: ττττe, ρρρρe, ττττv, ρρρρv

60

80

100T

ras

mit

tan

za

(%

)visibile infrarossoUV

ττττv

visibile Solare: visibile + IR + UV

0

20

40

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

Lunghezza d'onda (nm)

Tra

sm

itta

nza

(%

)

Chiaro

Grigio

Bronzo

Verdeττττe

6

• Si considerano valori integrati nell’intervallo del visibile ossia 380-

780 nm utilizzando come funzioni peso la curva di sensibilità

dell’occhio e lo spettro solare.

coefficienti di trasmissione, riflessione eassorbimento nel visibile

( )( ) ( ) ( )

( ) ( )∫

∫=

nm

nm

nmv

dVI

dtVIt

780

780

380,

λλλ

λϑλλλϑ

2500

2000

Radiazione solare

5800 k corpo nero

m) ( ) ( )∫ nm

dVI380

λλλ

illuminante D65 CIE e osservatore CIE 1931 0 1964

2,5 3,02,01,51,00,5

1500

1000

500

0

O3

H2O

H2O

O2

O3

H2O

H2O

CO2

Superficie della terra

extraterrestre

Lunghezza d’onda (µm)

Radia

zio

ne

spet

trale

(W

/m2. µ

m)

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La caratterizzazione di un sistema vetrato:proprietà termiche

• Il vetro chiaro semplice ha una conducibilità intorno a 1 W/(m·K): non è un

valore molto basso, ma neppure elevato;

• gli spessori con cui si usa sono però bassi, 4-6 mm, per cui la resistenza

termica risultante e bassa, 0,004-0,006 m2K/W.

• La trasmittanza U risultante con gli usuali valori per i coefficienti di adduzione• La trasmittanza U risultante con gli usuali valori per i coefficienti di adduzione

(hi= 7,7 W/m2K , he=25,0 W/m2K) intorno a 5,7 W/m2K.

• Per aumentare le proprietà di isolamento si sono studiate diverse soluzioni:

•vetrocamera: sistemi costituiti da più lastre

•nuovi materiali isolanti termici:

• materiali traslucidi e con conducibilità paragonabile con quella degli

isolanti - Aerogel -

• sistemi complessi in materiali plastici in grado di garantire

passaggio luce e limitare gli scambi convettivi - TIM -

8

• distanziatore:

garantisce la resistenza meccanica in alluminio, metallo, polimeri rinforzati

• sigillante primario (polisobutilene):

mastice di adesione tra i pannelli vetrati garantisce la tenuta

Distanziatore metallico

il vetrocamera: più lastre unite ai bordi con una sigillatura

vetrati garantisce la tenuta dell’intercapedine

• sigillante secondario (polisolfuro):

costituisce una seconda sigillatura e connessione tra i vari componenti

• essiccante (zeolite):

adsorbe il vapor d’acqua, evita la condensa all’interno dell’intercapedine

metallico

Sigillante primario

Sigillante secondario

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La resistenza globale del sistema vetrato può essere aumentata utilizzando una coppia

di lastre con interposta un’intercapedine

• Si devono limitare gli spessori: elevati spessori non portano a miglioramenti delle

prestazioni.

• Si può limitare la convezione utilizzando invece dell’aria per riempire

La caratterizzazione di un sistema vetrato:proprietà termiche

l’intercapedine con gas ad elevato peso molecolare e quindi meno mobile

(ex. Argon, Xenon, Kripton).

Si possono anche ottenere vetrocamere evacuate

in cui nell’intercapedine è stato fatto il vuoto.

Si hanno problemi per l’inflessione delle lastre.

E’ necessario inserire nell’intercapedine dei

distanziatori (in materiale ceramico).

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Si può intervenire sulle superfici limitando gli scambi radiativi:

trattamenti superficiali basso-emissivi.

depositi di metalli o ossidi metallici con emissività risultante inferiore a 0,3

La caratterizzazione di un sistema vetrato:proprietà termiche

Per un vetrocamera 6-12-6 con U=3.5 W/m2K, con trattamenti superficiali bassoemissivi

si raggiungono valori intorno a 1-2 W/m2K (heat mirror).

Diminuiscono le dispersioni per radiazione a elevata lunghezza d’onda dall’interno verso

l’esterno, mentre rimane elevato la trasmissione di radiazione a corta lunghezza d’onda

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Il miglioramento delle prestazioni di isolamento termico del sistema finestra

Telai ad elevata resistenza termica:

• in legno

con eventuali inserzioni plastiche

• in materiali polimerici (PVC)

con anima in metallo

• in profilato metallico (alluminio, acciaio)

con taglio termico realizzato mediante colaturacon taglio termico realizzato mediante colatura

resina fenolica e schiuma poliuretanica

con la realizzazione del profilo in due pezzi con

connessione plastica e bloccaggio a pressione

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il miglioramento delle prestazioni di isolamento termico del sistema finestra

il distanziatore utilizzato nellaproduzione dei vetrocameradiviene un punto debole

specie nelle vetratead elevatissime prestazioni

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• profilo in alluminio,

• profilo in acciaio,

• metallo variamente rivestito

• metallo con taglio termico

Sono disponibili in commercio diversi tipi di distanziatori riconducibili ad otto classi:

• fibra di vetro-polimero,

• poli-iso-butilene

• polimeri espansi (in genere siliconici)

• materiali plastici (policarbonato)

Nuovi tipi di distanziatore

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LE NORME TECNICHELE NORME TECNICHE

UNI EN 673 Vetro per ediliziaDeterminazione della Trasmittanza termica-Metodo di Calcolo (1999)UNI EN 410, Vetro per edilizia

Determinazione delle caratteristiche luminose e solari delle vetrate (2000)

UNI EN ISO 10077-1 Finestre,

porte e chiusure-Calcolo della trasmittanza termica- Metodo semplificato (2007) UNI EN 12207 Finestre e porte

Permeabilità all’aria-Classificazione.(2000)

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determinazione di:coefficiente di trasmissione per la parte centraleprocedura semplificata norma EN 673 coefficiente di trasmissione lineico per il bordoanalisi numerica dettagliata o misura UNI EN ISO 10077 “Windows, doors and shutters – Thermaltransmittance: calculation method”:

1

Le prestazioni “termiche” di un sistema vetrato : Il coefficiente di scambio termico U-value

norma UNI EN ISO 10077

transmittance: calculation method”:coefficiente di trasmissione per il telaioanalisi numerica dettagliata o misura

media pesata mediante le aree delle due parti componenti il vetrocamera e la lunghezza del contorno

determinazionecoefficiente di scambio termico globale del sistema vetrato

2

3

16

fg

ggffggw

AA

LAUAUU

+

ψ++=

Le prestazioni “termiche” di un sistema vetrato : Il coefficiente di scambio termico U-value

( )aeai673ENggg UAq θ−θ⋅⋅= )(

( )aeai10077ENwww UAq θ−θ⋅⋅= )(

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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: Generalità;

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

+

ψ++=

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Confronto tra caratteristiche di un sistema vetrato

19

Il telaioUf

Telai in legno

20

Il distanziatore: ψg

21

Ingresso dell’energia 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 - causa una riemissione (dalla superficie interna della lastra verso l’interno) di parte dell’energia assorbita come IR

- riduce il flusso termico tra la stanza e la superficie della lastra, riducendo la differenza di temperatura tra l’aria ambiente e la lastra vetrata (se la lastra di vetro diviene più calda dell’aria interna, il flusso termico si dirige verso l’interno)

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Parametri energetici: fattore solare FS o g

I)(cI)(FS

ατ += ρI

Rapporto tra l’energia globale trasmessa oltre la lastra e quella incidente

su di essa;

si considera sia l’energia direttamente trasmessa che quella assorbita e

scambiata per radiazione e convezione con l’interno;

I

I)(cI)(FS

ατ += τIρI αI

c (αI)(1-c) αI

Il fattore solare è 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 può arrivare a 0,5.

23

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:

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

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

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Proprietà energetiche

Il fattore solare

o guadagno solare (F)

Esso corrisponde al rapporto tra l’energia

trasmessa oltre la lastra e quella incidente su

di essa.

Si considera sia l’energia direttamente

trasmessa che quella assorbita e scambiata

per radiazione e convezione con l’interno

I = energia solare incidente

Ia = as ·I = energia assorbita

Ir = rs ·I = energia riflessa

It = ts ·I = energia trasmessa

It + c·Ia = energia solare entrante

IaIctI

s gF⋅+

==

Generalmente si assume che circa un terzo

dell’energia assorbita dalla lastra penetri

nell’ambiente (lastre non trattate):

atgFI

aIctI

s 33,0+===⋅+

25

Shading coefficient

26

Prestazioni

– depositi superficiali di metalli o ossidi metallici:

ε < 0,3

– trasmittanza vetro-vetro:

U = 1,0 ÷ 2,0 W/m²K

– guadagno solare:

F = 50 ÷ 70%

– coefficiente di trasmissionevisibile:

tv = 70 ÷ 75%

Sistemi bassoemissivi

v

Ext

Int

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grandi superfici vetrate, particolari condizioni geografiche o

di esposizione l’uso di vetri chiari può generare un eccessivo

surriscaldamento all’interno degli ambienti e discomfort

luminoso: vetri selettivi.

�vetri assorbenti colorati in massa

�vetri riflettenti con ricoprimenti superficiali metallici o inossidi metallici

Prestazioni

– trasmittanza vetro-vetro:

Ug= 2,0 W/m²K

– guadagno solare:

F = 30 ÷ 50%

– coefficiente di trasmissionevisibile:

tv = 50 ÷ 65%

Sistemi per il controllo solare

28

Tipologie di sistemi vetrati: controllo solare

29

Sistemi per il controllo solare

30

Tipologie di sistemi vetrati: controllo solare

vetri colorati in massa

31

Caratteristiche di sistemi a controllo solare

Tvis Rvis Tsol Rsol FS

Float 90.5% 7.9% 87.9% 6.7% 89.3%

Valori calcolati secondo EN673 per vetri con spessore di 6 mm ed intercapedini con spessore di 12 mm; emissività normale float = 0.89, emissività normale Ag-Ag = 0.028

Float 90.5% 7.9% 87.9% 6.7% 89.3%

SnO2 75.7% 12.0% 61.7% 12.4% 68.4%

Ag-Ag 63.5% 10.6% 33.6% 42.3% 39.8%

Fe-Cr 9.3% 34.0% 7.3% 43.6% 20.0%

32

Riassumendo: diverse famiglie di vetri

33

La progettazione corretta dei sistemi vetrati risulta estremamente

importante nel contenimento del fabbisogno energetico degli edifici:

• Clima freddo: soprattutto le dispersioni invernali da tenere sotto

controllo

τv almeno 0,7 Fs (g) almeno 0,5 U al più 1,5 W/(m2K)

• Clima caldo o edifici con elevati carichi termici: soprattutto i carichi

solari da tenere sotto controllosolari da tenere sotto controllo

τv almeno 0,6 Fs (g) al più 0,4 U al più 3,0 W/(m2K)

• Clima moderato: sono da tenere sotto controllo sia le dispersioni che i

carichi solari.

τv almeno 0,7 Fs (g) almeno 0,5 U al più 2,0 W/(m2K)

34

Altri sistemi vetrati

Sistemi

TIM

35

Sistemi

TIM

36

Aerogel

granulare

37

Altri sistemi vetrati

Sistemi

termocromici

38

Altri sistemi vetrati

Sistemi

termocromici

39

sistemi vetrati proprietà variabili

Sono chiamati anche sistemi cromogenici e consentono un controllo

dinamico della radiazione termica e della luce che penetra all’interno

degli ambienti.

Sono caratterizzati dalla possibilità di variare lo spettro della

trasmissione in funzione della temperatura, dell’intensità della

radiazione, del campo elettrico applicato.radiazione, del campo elettrico applicato.

Il controllo della variazione può avvenire in funzione di un controllo

esterno (vetrate attivate elettricamente) o indipendentemente da esso

(vetrate autoregolanti).

I dispositivi attivati elettricamente sono: cristalli liquidi dispersi,

sistemi a particelle sospese e materiali elettrocromici.

I dispositivi autoregolanti sono: sistemi termocromici, termotropici

e fotocromici.

40

sistemi vetrati proprietà variabili: elettrocromici

41

sistemi “redirecting”: lamelle

lamelle

fisse

sole alto estivo

primavera-autunno

Controllo solare e visibilità attraverso sistemi a lamelle fisse.

Il profilo è tale da ottimizzare le prestazioni.

sole basso invernale

primavera-autunno

42

sistemi “redirecting”: vetrocamere con tendina

lamelle

orientabili

43

L’involucro: gli schermi

Scuola media – Empoli (I)

Joensuu (SF)

Sevilla (E): Società Telefonica

44

Protezione dalla radiazione solare

Controllo della radiazione

45

Grundschule am Reidburg, Frankfurt (D)(schermi esterni)

Fonte: Danny Harvey

46

Aggetti e schermi

Componente Schermo Vetro Tra le Vetro Componente Schermo interno

Vetro interno

Tra le lastre

Vetro esterno

Vetro singolo con schermo interno

0,80 ± 0,08 0,80 ± 0,06

Vetro singolo con veneziana interna

-45°

30°

chiusa

0,69 ± 0,05

0,83 ± 0,08

0,72 ± 0,07

0,24 ± 0,09

0,21 ± 0,07

0,14 ± 0,05

Vetro doppio con schermo interno

0,8 ± 0,01 0,52 ± 0,12 0,28 ± 0,06

Vetro doppio con veneziana interna

45° 0,86 ± 0,06 0,69 ± 0,14 0,21 ± 0,09

Vetro doppio basso emissivo con schermo fra le lastre

35° 0,46 ± 0,12 0,38 ±0,05

0,32 ± 0,11

Fonte

ASHRAE

Fundamentals

2005

47

48

sistemi “redirecting”: sistemi rifrattivi prismatici

49

La valutazione normativa

UNI EN 13363-1:2004Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate – Calcolo della trasmittanza solare e luminosa Parte 1: Metodo semplificato

UNI EN 13363-2:2006UNI EN 13363-2:2006Dispositivi di protezione solare in combinazione con vetrate – Calcolo della trasmittanza solare e luminosa Parte 2: Metodo di calcolo dettagliato

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Principi generali

I valori della conduttanza termica G sono ottenuti sulla base delle relazioni presenti in UNI EN 13363-2

51

Ug = trasmittanza termica del vetro

(UNI EN 673, UNI EN 674)

g = fattore solare del vetro

(UNI EN 410)

τB = trasmissione solare dello schermo

ρB = riflessione solare dello schermo

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