Lo stato dell’arte delle soluzioni per l’involucro ...

Laura Bellia - Dipartimento di Ingegneria industriale , Università di Napoli Federico II - 29 gennaio 2016

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Napoli – 29 gennaio 2016

Laura Bellia

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Università degli Studi di Napoli Federico II

Lo stato dell’arte delle soluzioni per

l’involucro trasparente per edifici in climi

mediterranei


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Differenze tra componenti opachi e trasparenti


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I fattori totali dipendono dalla radiazione incidente


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Modelli di distribuzione spettrale

I produttori di finiture superficiali e di componenti per l’edilizia forniscono i valori dei fattori di

riflessione e trasmissione (in caso di superfici o corpi non opachi) sia energetica che luminosa:

Poiché tali fattori dipendono dalla distribuzione spettrale della radiazione incidente, per convenzione,

per l’illuminazione, si usa una distribuzione “standard”, adottata anche dalle normative: quella

dell’illuminante CIE D65, che rappresenta un modello di luce naturale, in cui D sta per Daylight e 65

per 6500 K (temperatura di colore: temperatura di un corpo nero che emette una radiazione dello

stesso colore della sorgente in esame).Talvolta il fattore di trasmissione luminosa viene indicato con

tD65, per indicare l’illuminante con cui è stata fatta la misura. Per quanto riguarda i fattori totali, si

considera la distribuzione solare.

Distribuzione dell’illuminante D65Distribuzione della radiazione solare


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Lo spettro solare


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Lo scambio termico complessivo attraverso il componente finestrato

Occorre fare considerazioni energetiche sia per il riscaldamento che per ilraffrescamento, così come per l’abbagliamento ed il surriscaldamento prodotti dallaradiazione solare diretta.

Radiazione solare trasmessa attraverso il vetro

Radiazione solare riflessa

Radiazione assorbita dal vetro

Radiazione solare assorbita dal telaio e trasmessa per conduzione

Calore secondario scambiato per convezione ed irraggiamento verso l’esterno

Calore secondario scambiato per convezione ed irraggiamento verso l’interno

Calore scambiato tra l’ambiente esterno e quello interno attraverso il vetro Calore scambiato tra

l’ambiente esterno e quello interno attraverso il telaio


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Il bilancio sul componente finestrato

Fe

reFe teFe

aeFe

qeFe qiFe

tvFv

Qg=Ug∙Ag∙Dq

Qf=Uf∙Af∙Dq

Flusso solare radiante incidente

Flusso solare trasmesso attraverso il vetro

Flusso solare riflesso dal vetro

Flusso solare assorbito dal vetro

ae + re + te =1

ae =qi+qe

g = te+qi

Flusso luminoso trasmesso attraverso il vetro

qi = fattore di scambio termico secondario verso l’internoqe = fattore di

scambio termico secondario verso l’esterno


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I principali parametri che caratterizzano i componenti

finestrati sono:

• la trasmittanza termica U [W/m2K];

• il fattore di trasmissione dell’energia solare totale

(fattore solare) g;

• il fattore di trasmissione luminosa tv;

• la resa cromatica Ra

• Il rapporto tv /g è indica quanta luce solare penetra

all’interno rispetto all’energia corrispondente.


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Mediante intercapedini e pellicole si possono ridurre gli scambi per trasmissione

L’isolante riduce lo scambio termico attraverso il telaio

Scambio termico attraverso il vetro

Il rivestimento riduce lo scambio per irraggiamento

Il gas isolante riduce lo scambio termico per conduzione

Freddo Caldo

FreddoCaldo

Inverno

Estate

Una opportuna distanza tra i vetri riduce lo scambio convettivo


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Fattori di trasmissione per componenti vetrati

• Fattori di trasmissione spettrale ”ideali” per climi caldi (in rosso) e freddi (in blu) . Il

diagramma non è in scala, in quanto o spettro di emissione dei corpi a temperatura

ambiente (nell’infrarosso lontano) assume in realtà valori molto piccoli rispetto a quelli

corrispondenti alla radiazione solare; la curva è stata amplificata per consentirne la

lettura.


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Caratteristiche spettrali di un vetro semplice chiaro


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Fattore di trasmissione spettrale di vari tipi di vetro


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1,060,861,050,829%12%79%Ex 11% - Int 11%87%(Uv Filter Film)

BLOCK UVA and UVB RADIATION

1,180,841,040,2845%30%25%Ex 42% - Int 42%33%(serie Silver 35)


HIGH-EFFICIENCY FILM - INT

1,140,841,040,2952%27%21%Ex 30% - Int 28%33%(serie Solar Bronze35)


METAL SPUTTERED SOLAR CONTROL FILM EXT.

0,840,841,040,4326%44%31%Ex 22% - Int 14%36%(serie Titan Xstra 35)


VERSATILE DUAL REFLECTIVE FILM INT.






METAL SPUTTERED SOLAR CONTROL FILM INT.

1,160,725,470,4329%40%31%19%50%(serie Argent 50)

SPECTRALLY SELECTIVE WINDOWS FILM

0,890,821,030,4517%54%29%Ex 17% - Int 15%40%(serie ColdSteel 35)


ARCHITECTURAL FILM

0,650,781,010,2052%39%9%Ex 56% - Int 24%13%(serie Titan Duo 15)


0,860,811,030,3732%43%25%Ex 32% - Int 26%32%(serie OptiTune 30)




tv/gεUgρsαstsρvtvSOLAR CONTROL FILM

HANITA COATING

1,060,861,050,829%12%79%Ex 11% - Int 11%87%(Uv Filter Film)

BLOCK UVA and UVB RADIATION






METAL SPUTTERED SOLAR CONTROL FILM EXT.



VERSATILE DUAL REFLECTIVE FILM INT.






METAL SPUTTERED SOLAR CONTROL FILM INT.

1,160,725,470,4329%40%31%19%50%(serie Argent 50)

SPECTRALLY SELECTIVE WINDOWS FILM



ARCHITECTURAL FILM







tv/gεUgρsαstsρvtvSOLAR CONTROL FILM

HANITA COATING


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ore

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Rivestimenti basso emissivi (low-e) ad elevato fattore solare per climi freddi

Rivestimenti basso emissivi (low-e) con basso fattore solare per climi caldi

Vetri ad elevato assorbimento nell’infrarosso per climi caldi

Differenti tipi di rivestimenti e tinte di vetro

Tipi di sistemi vetrati


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Finestre con rivestimenti basso-emissivi per climi freddi

Finestre con rivestimenti basso-emissivi per climi caldi

Configurazione basso emissiva Configurazione alto riflettente

Freddo Caldo Freddo Caldo

Assorbimento e riemissione verso l’esterno Riflessione della radiazione solare diretta

Caldo Freddo Caldo Freddo Caldo Freddo Caldo FreddoRadiazione nel lontano infrarossoRadiazione solare nel vicino infrarossoElevato assorbimento nel vicino infrarosso (radiazione solare)

Rivestimento basso emissivo per climi freddiRivestimento riflettente nel vicino infrarosso per climi caldi

* Pannello opzionale in linea di principio


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Caratteristiche spettrali di un vetro selettivo


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Caratteristiche spettrali di un vetro chiaro in funzione dell’angolo di incidenza


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Trasmittanza di energia solare totale (UNI TS 11300 ottobre 2014)

I valori della trasmittanza di energia solare totale degli elementi vetrati (g gl) possono essere ricavati moltiplicando i valori di trasmittanza di energia solare totale per incidenza normale (g gl,n) per un fattore di esposizione (F w).Il calcolo può essere effettuato mediante la UNI EN 410. In mancanza di dati si può usare il seguente prospetto:


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Fattore di esposizione Fw


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Climi freddi:– ridurre le perdite per trasmissione (U) ed incrementare gli apporti solari

Climi caldi:– ridurre i carichi frigoriferi: ridurre gli apporti solari.

Climi misti:– adottare sistemi dinamici per il controllo solare.

Tutti i climi:– massimizzare l’utilizzo di luce naturale

- prevedere sistemi integrati vetri-fotovoltaico

Strategie da perseguire


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C. Cillara Rossi, Funivia Malcesine, Verona (2006). Applicazione di pellicole basso

emissive in un manufatto progettato secondo i principi della

sostenibilità ambientale con sottovalutazione dell’irraggiamento solare (2009)

M.Fuksas, Nuova fiera di Milano, Milano (2005). Applicazione di pellicole basso emissive in un

manufatto progettato secondo i principi della sostenibilità ambientale con sottovalutazione

dell’irraggiamento solare (2009)

Zaha Hadid, Museo Nazionale delle arti del XXI secolo (MAXXI), Roma, 2010.

Applicazione di pellicole basso emissive


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L’importanza del contesto: le ostruzioni esterne


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Valutazione delle posizione del sole e delle ostruzioni mediante diagrammi polari


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1 kWh = 3,6 MJ

Gli apporti solari- UNI TS 11300-1 – ottobre 2014

= , , , , sol,k I A [kWh/a]sol k sh ob k sol kQ F tIsol,k = irradianza solare media mensile, con dato orientamento ed angolo di

inclinazione

Asol,k= area convenzionale della superficie finestrata k –esima (m2) Fsol,k = fattore di riduzione per ombreggiatura relativo ad elementi esterni per l'areadi captazione solare effettiva della superficie k -esima;

t = periodo di tempo considerato (un mese)Esempio: Irradiazione solare globale stagionale su superficie verticale esposta a sud per i capoluoghi di provincia della Campania (da UNI 10349)

Gli apporti solari dipendono dall’insolazione disponibile, dall'orientamento delle superfici di raccolta, dalla presenza di ombreggiatura permanente, dalla trasmittanzasolare e dalle caratteristiche di assorbimento delle superfici soleggiate. Le superfici soleggiate da prendere in considerazione sono le superfici vetrate, le pareti interne e i pavimenti degli spazi soleggiati e le pareti poste dietro coperture trasparenti o isolanti trasparenti.


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La UNI TS 11300-1 – ottobre 2014

L'area di captazione solare effettiva di un componente vetrato dell'involucro (per esempio una finestra), A sol, è calcolata con la seguente formula:

A sol = F sh,gl g gl (1 - F F) A w,pdove:F sh,gl è Il fattore di riduzione degli apporti solari relativo all'utilizzo di schermature mobili;g gl è la trasmittanza di energia solare della parte trasparente del componente;F F è la frazione di area relativa al telaio, rapporto tra l'area proiettata del telaio e l'area proiettata totale del componente finestrato; (1 - F F) è il fattore di correzione dovuto al telaio ,pari al rapporto tra l'area trasparente e l'area totale dell'unità vetrata del serramento.In assenza di dati di progetto attendibili o comunque di informazioni più precise, si può assumere un valore convenzionale del fattore telaio pari a 0,8.A w,p è l'area proiettata totale del componente vetrato (l'area del vano

finestra).


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Il fattore di riduzione per ombreggiatura

È un fattore moltiplicativo della radiazione solare incidente per tenere contodell'effetto di ombreggiatura permanente sull'elemento vetrato consideratorisultante da: altri edifici, topografia (alture, alberi), aggetti, altri elementidello stesso edificio, parte esterna della parete sulla quale è montatol'elemento vetrato.

F sh,ob può essere calcolato come prodotto dei fattori di ombreggiatura relativi ad ostruzioni esterne (Fhor), ad aggetti orizzontali (Fov) e verticali (Ffin):

F sh,ob = Fhor ∙ min (Fov , Ffin)


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I valori dei fattori di ombreggiatura dipendono dalla latitudine, dall'orientamentodell'elemento ombreggiato, dal clima, dal periodo considerato e dalle caratteristichegeometriche degli elementi ombreggianti. Tali caratteristiche sono descritte da unparametri angolari, a o b


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I vantaggi nell’utilizzo della luce naturale negli ambienti

interni

Qualità visiva

Elevata resa cromatica

Elevato flusso luminoso

Risparmio energetico

E’ una risorsa totalmente gratuita

Non è inquinante

Benefici psico-fisici

Regolazione del ritmo circadiano

Diminuzione dell’affaticamento visivo grazie alla visione verso l’esterno


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Criteri generali per una buona illuminazione con luce naturale

• Assicurarsi che l’illuminamento sia adeguato

e sufficientemente uniforme per gli specifici

compiti visivi

• Evitare i fenomeni di abbagliamento e

assicurare una temperatura di colore

adeguata

• Gestire al meglio l’integrazione con la luce

artificiale al fine di ottenere il massimo

risparmio energetico possibile


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Norma UNI EN 12464-1 (2011) – Luce e illuminazione.

Illuminazione dei posti di lavoro. Posti di lavoro in interni.

•Requisiti di illuminazione (illuminamento medio mantenuto, UGR limite,Ra, Tcp) per interni (zone), compiti e attività

•Illuminamento delle zone immediatamente circostanti il compito visivo erapporto limite di uniformità di illuminamento tra compito visivo e zoneimmediatamente circostanti

•Angoli di schermatura minimi per le specifiche luminanze delle lampade

•Gruppi di appartenenza del colore delle lampade

•Luminanza limite degli apparecchi che possono riflettersi nello schermodei videoterminali in funzione del tipo di schermo

Normativa di riferimento


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UNI EN 12464/1 2011 - Luce e illuminazioneIlluminazione dei posti di lavoro Parte 1– Posti di lavoro in interni

Requisiti per una corretta illuminazione


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Abbagliamento prodotto da luce naturale Un buon bilanciamento tra luce naturale ed

artificiale

Da cosa è prodotto l’abbagliamento?

L’abbagliamento è dovuto al contrasto eccessivo tra la luminanza della finestra e quella

delle pareti circostanti. Una sorgente con luminanza molto elevata e dimensioni piccole

collocata su una parete scura produce maggiore abbagliamento di sorgenti ampie collocate

su pareti chiare.

Per ottenere distribuzioni di luminanza senza eccessivi gradienti può essere necessaria

una sia pur minima integrazione mediante illuminazione artificiale.


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I setti verticali riflettono la luce esterna

distribuendola in ambiente

In presenza di video terminali occorre evitare effetti

di riflessioni di velo

Alcuni criteri progettuali e buone pratiche

•Massimizzare l’impiego di luce naturale.

•Le superfici interne con fattori di riflessione

elevati riducono i fenomeni di abbagliamento

e consentono una migliore distribuzione della

luce.

•Evitare che sui videoterminali si rifletta la

luce proveniente dalle finestre.

•Cercare di garantire oltre che l’accesso di

luce naturale anche il contatto con l’ambiente

esterno.

•Ridurre gli eccessivi contrasti di luminanza e

gli effetti termici della radiazione solare

diretta mediante opportuni sistemi di controllo

(filtri, schermi….).


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Risparmio energetico connesso all’utilizzo di luce naturale

Norma UNI EN 15193 (2007) – Energy performance ofbuildings – Energy requirements for lighting, recepita dalla UNI TS 11300-2 (ottobre 2014).

Lighting Energy Numeric Indicator

LENI = W/A [kWh/m2 anno]

Energia totale annua impiegata per l’illuminazione [kWh/anno]

Superficie utile totale dell’edificio [m2]

Introduce per la prima volta un indicatore del consumo energetico per l’illuminazione degli ambienti interni: il LENI


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Controllo della radiazione solare e luminosa


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Tipologie di sistemi schermanti


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Sistema schermante esterno

Sistema schermante esterno

Sistemi di controllo

Schermi: interni (blinds),

esterni (louvers), fissi,

mobili controllati in modo

manuale o automatico.

Impediscono l’accesso

della radiazione solare

diretta. Gli schermi esterni

sono più efficienti da

punto di vista termico.


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Tende esterne

La mancanza di manutenzione riduce l’ingresso di

luce naturale

Localizzazione interna o esterna

Tutti i sistemi schermanti ed

in particolare quelli esterni

richiedono una adeguata

manutenzione, soprattutto se

localizzati in zone ad elevato

inquinamento. La presenza di

sporco modifica le

caratteristiche ottiche dei

sistemi e riduce il fattore di

trasmissione della radiazione

luminosa, alterando le

prestazioni.


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Mensole interne

Mensole esterne

Light shelves

Oltre alla funzione di schermi

solari, i sistemi con light shelves

interni consentono, se

opportunamente progettati, di

distribuire la luce naturale in

modo più uniforme all’interno

dell’ambiente. Anche le mensole

esterne, riflettendo la radiazione

proveniente dal sole e

convogliandola all’interno,

incrementano l’accesso di luce

diffusa, schermando la diretta

solare. Le mensole possono

avere particolari proprietà ottiche

ed essere selettive.


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Schermi interni mobili

Tende interne

Sistemi schermanti interni

I sistemi interni sono

generalmente controllabili

dall’utenza, oppure regolati

in modo automatico.

Possono essere costituiti da

materiali riflettenti o

diffondenti (tende) e

possono avere la

caratteristica di impedire

l’accesso alle radiazioni

ultraviolette.


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Fish-system (Okalux)

Sistema okasolar (Okalux)

Sistemi di controllo integrati nel vetro

Sono composti da due lastre di

vetro fra le quali sono collocati

materiali o dispositivi riflettenti e/o

rifrangenti atti a migliorare le

prestazioni luminose e termiche.

Esistono molteplici tipologie, tra le

quali i pannelli con “fish-system”, i

pannelli Okalux, i pannelli Kapilux

ed Okaflex.

A questa categoria appartengono

anche i TIM (Transparent Insulation

Materials): hanno una buona

trasmissione della luce e un buon

isolamento termico. Sono costituiti

da materiali in policarbonato,

polistirene, cloruro di polivinile.

http://www.okalux.de/index.php?id=22&L=1


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Sistema a film olografico

Esempio di impiego di laser cut panels

Film olografici, filtri anti-UV, laser cut panels

Il film olografico è costituito da una

pellicola che viene inserita in una

doppia lastra di vetro e che rifrange

in modo selettivo la radiazione

luminosa .

I flitri anti-UV sono realizzati con

lastre di poliacrilico trasparente che

assorbe il 98% delle radiazioni

ultraviolette o in acetato di cellulosa

che le assorbe totalmente.

I laser cut panels sono delle lastre

di plastica acrilica su cui, mediante

laser, sono effettuati dei tagli

paralleli, in modo che la luce venga

rifratta in funzione della lungheza

d’onda e dell’angolo di incidenza.

http://www.greenarch.hku.hk/equip/assignment/web/lighting/lcp/lcp-knowles/LCP-knowles.pdf

http://www.solartran.com.au/bald_hills_school.htm


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Sistema prismatico (Siemens)

Finestre con vetri prismatici

Sistemi prismatici

Esistono due tipi di sistemi

trasparenti a prismi:

- Pannelli con prismi che ri-

direzionano la luce solare

costituiti da un pannello a prisma

chiuso tra due lastre di vetro con

la finalità di deviare

opportunamente la luce, ad

esempio verso il soffitto del

locale, ricoperto con una vernice

riflettente che permette la

distribuzione uniforme della luce

in ambiente.

- Pannelli con prismi che

respingono la luce solare aventi

per funzioni la protezione solare

nonché il controllo e la

distribuzione della luce naturale.


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Esempio di utilizzo di sistemi prismatici


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Vasta gamma di materiali isolanti trasparenti o traslucenti utilizzati per la

realizzazione di involucri edilizi traslucenti o opachi.

Combinati a vetrate ad elevate prestazioni termiche e infissi di ultima

generazione, sono in grado di fornire agli ambienti interni un’illuminazione

diffusa limitando le elevate dispersioni termiche che generalmente

caratterizzano gli involucri vetrati.

Addossati esternamente ad involucri edilizi opachi, nonostante lo spessore

ridotto, ne aumentano notevolmente la resistenza termica e l’inerzia termica.

I TIM


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TIM con struttura capillare TIM con struttura a pettine

(honeycomb) Sia nel caso di TIM a struttura capillare che honeycomb i pannelli isolanti

trasparenti sono applicati negli involucri architettonici in modo che la

microstruttura sia perpendicolare alla facciata e quindi parallela alla direzione

dell’energia solare incidente. Pur consentendo il passaggio di luce, è elevata la

resistenza termica. Non consentono la visione del panorama esterno.

Un’altra interessante novità nel settore degli isolanti traslucenti sono

gli aerogel: dei materiali costituiti per il 95-98% da aria e dal restante

2-5% da particelle di diossido di silicio (silice). Tale scarsissima densità,

pari ad appena 3 kg/m3 fa sì che gli aerogel risultino i materiali più

leggeri che siano mai stati prodotti. La trasmittanza termica è compresa

tra 0,1 e 0,2 W/m2K, confrontabile con quella dei migliori isolanti termici

opachi.

I TIM


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La riqualificazione dell’edilizia degli anni ‘60 e ‘70, realizzata spesso con

elementi strutturali e di rivestimento in calcestruzzo e dotata di uno scarso livello

di isolamento termico, trova nei TIM uno strumento ottimale per il miglioramento

della qualità abitativa e del comportamento energetico dell’intero edificio.

L’applicazione di pannelli TIM, addossato ad un involucro edilizio preesistente,

può essere realizzata velocemente ed intervenendo solo sulla parte esterna

dell’edificio senza creare disagio agli utenti.

La leggerezza del sistema applicato fa sì che non si necessiti di una struttura

portante particolarmente resistente, mentre l’involucro in calcestruzzo

preesistente contribuisce ad ottenere l’inerzia termica necessaria affinchè la

parete solare sia in grado di captare, accumulare e trasmettere energia termica.

APPLICAZIONI DEI TIM ALL’ INVOLUCRO OPACO


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MWP Architekten, Laboratori dell’Autorità per lo Sviluppo della città e

l’Ambiente della Repubblica Federale Tedesca, Amburgo, Germania, 2005.

Steven Holl, Ampliamento del

Nelson Atkins Museum,

Manchester, USA, 2007

APPLICAZIONI DEI TIM ALL’ INVOLUCRO TRASPARENTE

Architekturburo Guetg, edificio scolastico,

Sulgenbach, Svizzera, 2005.


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Film fotovoltaici


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Utilizzo di film fotovoltaici


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Vetri elettrocromici di differenti colorazioni

Applicazione di vetri elettrocromici

Vetri cromogenici

Si distinguono in termocromici,

fotocromici ed elettrocromici.

Possono modificare le

caratteristiche spettrali di

trasmissione della luce in base

rispettivamente alla temperatura

dell’ambiente esterno, alla

radiazione solare incidente su essi e

ad una tensione elettrica indotta

dall’esterno. In quest’ultimo caso è

possibile modificare a piacimento le

caratteristiche del vetro anche

mediante programmazione

automatica. Sono sistemi molto

costosi.


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anei I componenti in sé non sono più o meno

efficienti: è il progettista sapiente che,

effettuandone la scelta, il posizionamento ed il

dimensionamento attribuisce loro il corretto ruolo

nell’edificio.

Lo stato dell’arte delle soluzioni per l’involucro ...

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