Richiami di trasmissione del Richiami di trasmissione del calore e Prestazioni termofisiche calore e Prestazioni termofisiche

dell’involucro ediliziodell’involucro edilizio

prof. ing. Giorgio Raffellini 

Dip. di Tecnologie dell’architettura e Design “P. Spadolini” – Università di Firenzeemail: giorgio.raffellini@taed.unifi.it

Modalità trasmissione calore

• CONDUZIONE (caratteristica nei solidi, es. barretta ferro scaldata, strato d’aria ferma es. vetrocamera)

• CONVEZIONE (caratteristica nei fluidi: liquidi e gas) , si suddivide in naturale (es. fumo di sigaretta) e forzata (es. ventilatore)

• IRRAGGIAMENTO (diverso dai precedenti , in quanto avviene per onde elettromagnetiche e quindi non ha bisogno di un mezzo, e quindi anche nel vuoto, es. energia solare)

Nella trasm. calore è fondamentale conoscere la distribuzione

della temperatura nello spazio e nel tempo T = f(x,y,z,t) • Per conduzione e convezione è fondamentale l’equaz. di

Fourier • Per semplificarla si fanno di solito alcune semplificazioni :• - regime stazionario , cioè distribuzione temp.

indipendente dalla variabile tempo, nei casi reali abbastanza rara

• - materiali omogenei ed isotropi , anche qui rari• - nella conduzione : superficie di estensione infinita e

strato piano a facce parallele di spessore s = f(x) con conducibilità λ, si ottiene ipot. T1 > T2:

T = λ/s (T1 –T2) ; T = T1 + ((T2 – T1) /s ) x

Conduzione in più strati piani : in serie (es. pareti o solai compositi) o in parallelo (es. par. composita e pilastro o

trave) • Analogia elettrica : - diff. di potenziale el. (V) = diff. di temp. (T o °C)- intensità di corrente ( i in Amp) = flusso di calore in unità

di tempo e per unità di sup. (q in W/m2)- resistenza elettr. = resistenza termica- In caso di strati piani :- Serie (es. parete composita Rt = ∑ (si / λi) )- Parallelo (es. ponte term. Pilastro-parete Rt = 1 / ∑ (1/ (si / λi) )

- N.B. In strati non omogenei (es. matt. forati) : C (conduttanza termica)= 1/R

1.componenti opachi(parete verticale)

1.componenti opachi(attacco a terra)

1.componenti opachi(coperture, solai)

3.componenti finestrati 2.ponti termici

L’involucro dell’edificioL’involucro dell’edificioL’involucro edilizio costituisce la superficie di controllo che delimita il sistema termodinamico “edificio”, ed ha la funzione di controllare i flussi di energia e massa al fine di garantire le condizioni di comfort negli ambienti confinati, di contenere i consumi energetici e gli impatti dell’ambiente esterno.

Scambi termici : convezione ed irraggiamento + conduzioneDall’interno verso l’esternoConvezione naturale ed irraggiamento aria-parete internaConduzione strati solidiConvezione naturale/forzata ed irraggiamento aria-parete esterna Coefficienti di adduzione o liminari (valori tabulati)CalcoliRegime stazionario o transitorio

Convezione : studio teorico abbastanza complesso, da cui si definisce un coeff. di convezione: h (W/m2 K) :

valori indicativi : conv. forzata liquidi : 10.000 , gas 100conv. naturale : liquidi 10-50, gas 5-10

• Irraggiamento termico : corpi neri (teorici, non esistono in pratica) , grigi (in genere comprendono tutti i materiali usati in edilizia , ed anche il corpo umano) , colorati (es. metalli a specchio, ecc..)

• Anche in tal caso si fanno semplificazioni , in ogni caso :• Q = S (T1

4 _ T24 ) . Cost. Boltzmann

• Con qualche semplificazione ed approssimazione ne nasce il coeff. di irragg. termico : Q = i (T1

_ T2 ) S• Se in presenza di entrambe : a = h + i (coeff. liminare)

Le prestazioni dell’involucroLe prestazioni dell’involucro

Componenti opachiComponenti opachiCoefficiente di conduzione λ (W/mK)Conduttanza C (W/m2K)Densità ρ (kg/m3)Calore specifico cp (J/kg K)Permeabilità al vapor d’acqua δ (kg/m s Pa)Trasmittanza termica U (W/m2K)

Ponti termiciPonti termiciCoefficiente lineare di ponte termico ψ (W/mK)

Componenti trasparentiComponenti trasparentiTrasmittanza termica Uw (W/m2K), Fattore solare g

Inerzia termica

L'ENERGIA SOLARE 1.1 Caratteristiche L’energia solare ci arriva a diverse lunghezze d’onda che vanno dall’ultravioletto ( 00.4 micron ), al visibile ( 0.4 – 0.8 micron ), e infine l’infrarosso ( 0.8 – 2.5 micron ).

Fig.1 Spettro della radiazione solare L’energia che parte dal sole non coincide però con quella che arriva a noi a terra, essanel percorso subisce diverse perdite : sia ad opera dell’atmosfera, sia ad opera di varierifrazioni e assorbimenti. L'energia del sole si trasmette attraverso il fenomeno dell'irraggiamento, che, comenoto avviene attraverso onde elettromagnetiche che non hanno bisogno di un mezzoper propagarsi, e quindi possono farlo anche nel vuoto. Gli effetti termici si hanno per lunghezze d'onda dell'ordine dei micron. Lo studio dell'energia solare si basa sulle leggi dell'irraggiamento: si noti come per i

i i l l di i i t i

λ < 0,065W/mK isolanti

0,09 <λ < 0,065 deb. isolanti

λ > 0,09W/mK non isolanti

Coefficiente di conduzione o conduttività termica Coefficiente di conduzione o conduttività termica λλ

Rappresenta l’energia che per conduzione attraversa nell’unità di tempo lo spessore unitario del materiale per una differenza unitaria di t. Definisce univocamente l’attitudine di un materiale, omogeneo e isotropo, a trasmettere il calore quando lo scambio avviene solo per conduzione.Funzione dello stato fisico del materiale, della temperatura, della densità, della posa in opera.

λ è per materiali omogenei o assimilabili (W/mK)R = s/λ resistenza termica (m2K/W) – almeno tre decimali

(UNI 10351e UNI 12524)

UNI 10351: 1994 “Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al vapore”Valori da utilizzare quando non esistano norme specifiche per il materiale considerato

λm conduttività indicativa di riferimento, in laboratorio alla t=20°Cm maggiorazione percentuale (t=20°C, UR=65%), tiene conto di contenuto percentuale di umidità, invecchiamento, costipamento.λ conduttività utile di calcolo

UNI EN 12524: 2001 “Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche - Valori tabulati di progetto”

λ conduttività termica di progetto

(UNI 10351e UNI 12524)Coefficiente di conduzione o conduttività termica Coefficiente di conduzione o conduttività termica λλ

ConduttanzaConduttanza CC

Flusso di calore che in regime stazionario attraversa 1 m2 di superficie di un materiale non omogeneo per una differenza unitaria di t.

C è per materiali non omogenei o lame d’aria non ventilate (W/m2K)R = 1/C (m2K/W)

(UNI 10355 - UNI 7357 – UNI 6946)

F=76%s=24+4cmR=0,41 m2K/W

F=66%s=37cms malta=1,2cmR=1,06 m2K/W

UNI 10355: 1994 “Murature e solai. Valori della resistenza termica e metodo di calcolo”Fornisce i valori delle resistenze termiche unitarie (laboratorio o calcolo) di tipologie di pareti e solai più diffuse in Italia.

UNI EN ISO 6946:1999 “Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e trasmittanza termica - Metodo di calcolo”

Densità o massa volumica Densità o massa volumica ρ ρ (kg/m(kg/m33))

Massa volumica del materiale secco. Usato come indice dell’inerzia termica di un componente edilizio opaco.

(UNI 10351e UNI 12524)

Calore specifico o capacità termica specifica cCalore specifico o capacità termica specifica cp p (J/kg K)(J/kg K)

Quantità di calore da fornire, a pressione costante, all’unità di massa del materiale per ottenere un aumento unitario di temperatura.Rappresenta un indice della capacità di un materiale di trattenere, accumulare il calore. Usato come un indice dell’inerzia termica di un componente edilizio opaco.

(UNI 12524)

⇒ Permeabilità al vapore acqueo δ (kg/m s Pa)attitudine a trasmettere per diffusione il vapor d’acqua contenuto nell’aria

⇒ Resistenza al flusso di vapore Rv (m2 s Pa/kg) si ottiene come rapporto tra lo spessore dello strato e la permeabilità del materiale Rv = s/δ

⇒ Coefficiente o Fattore di resistenza al passaggio del vapore µResistenza al passaggio del vapore riferita ad un uguale spessore d’aria

µ = δaria in quiete/ δmateriale

Caratteristiche igrometricheCaratteristiche igrometriche (UNI 10351- UNI 12524)

Caratteristiche igrometricheCaratteristiche igrometriche (UNI 10351- UNI 12524)

UNI10351:1994 “Materiali da costruzione. Conduttività termica e permeabilità al vapore”Valori da utilizzare quando non esistano specifiche tecniche per il materiale

δa permeabilità al vapore nell’intervallo di UR 0÷50% - campo asciutto (Glaser)δu permeabilità al vapore nell’intervallo di UR 50÷95% - campo umidoPer tenere in considerazione le effettive condizioni di esercizio dei materiali.

UNI EN 12524:2001 “Materiali e prodotti per edilizia - Proprietà igrometriche - Valori tabulati di progetto”

µ Fattore di resistenza al passaggio del vapore

s4s3

s2s1

Serve per determinare la potenza scambiata per trasmissione dall’ambiente interno a temperatura maggiore con l’ambiente esterno o con ambienti interni a temperatura minore – regime stazionario – (W/m2K)

INTERNO

sj/λj COND

1/αi

CONV + IRRAG

1/αe

CONV + IRRAG

α coefficiente di adduzione interna ed esterna (W/m2K)UNI EN ISO 6946:1999UNI 7357: 1989 “Calcolo del fabbisogno termico per il riscaldamento di edifici”

Trasmittanza termica U (W/mTrasmittanza termica U (W/m22K)K)(UNI EN ISO 6946 – UNI 7357)

UNI EN ISO 6946:1999 “Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e trasmittanza termica - Metodo di calcolo”

ESTERNO

γ = fattore che tiene conto delle diverse esposizioni degli ambienti:SUD=1 S/O=+2÷5% O e S/E =+5÷10% N/O e E=+10÷15% N e N/E =+15÷20%

Ti > Te

Ti

Te

Trasmittanza termica U (W/mTrasmittanza termica U (W/m22K)K)(UNI EN ISO 6946 – UNI 7357)

UNI EN ISO 6946:1999 “Componenti e elementi per edilizia - Resistenza termica e trasmittanza termica - Metodo di calcolo”La norma descrive un metodo per il calcolo della resistenza termica e della trasmittanza termica dei componenti e degli elementi per edilizia, escluse le porte, le finestre e le altre parti vetrate, i componenti che implicano uno scambio termico con il terreno ed i componenti percorsi dall'aria di ventilazione.

Resistenza termica superficiale (m2K/W)I valori riportati sotto "orizzontale" si applicano a flussi termici inclinati fino a ± 30° sul piano orizzontale.

Rsi=1/αi dove αi = adduttanza interna (W/m2K)Rse=1/αe dove αe = adduttanza esterna (W/m2K)

Ponti termiciPonti termiciUNI EN ISO 14683: 2001 “Ponti termici in edilizia Coefficiente di trasmissione termica lineica - Metodi semplificati e valori di riferimento”Specifica metodi semplificati per la determinazione del flusso di calore attraverso i ponti termici lineari che si manifestano alle giunzioni degli elementi dell’edificio.

La UNI EN ISO 14683 definisce il PONTE TERMICO, come parte dell'involucro edilizio dove la resistenza termica, altrove uniforme, cambia in modo significativo per effetto di:- compenetrazione di materiali con conduttività termica diversa nell'involucro edilizio (tamponamento in mattoni con struttura in c.a.; attacco serramenti; giunti tra parete e pavimento o parete e soffitto);- discontinuità geometrica nella forma della struttura (es. angoli).

(UNI EN ISO 14683)