Vetro e risparmio energeticoIsolamento termico

Bollettino tecnico

IntroduzionePer oltre 80 anni l’utilizzo della vetrataisolante è stata riconosciuta come unacondizione essenziale per garantirel’isolamento termico degli edifici. Recentisviluppi tecnologici hanno consentito diottenere livelli di isolamento termico ancorapiù elevati. I vantaggi sono sia di naturaeconomica, che di natura ambientale:riduzione delle emissioni di anidridecarbonica (che contribuisce all’effetto serra eal riscaldamento progressivo del pianeta) eutilizzo più razionale dell’energia conaumento dell’efficienza termica degli edifici.

ProdottiI seguenti prodotti vetrari sono forniti dalla Pilkington, ognunocon caratteristiche particolari di isolamento termico.

Pilkington K GlassTM

E’ un vetro float chiaro di alta qualità sulla superficie del qualeviene applicato durante la lavorazione del vetro uno specialerivestimento pirolitico basso emissivo, particolarmente durevolee trasparente. Di conseguenza il prodotto può essere laminato otemprato anche in forma già coatizzata. Pilkington K Glass èincorporato in Pilkington Insulight per incrementarnel’isolamento termico.

Pilkington OptithermTM SN

Si tratta di un vetro float chiaro di alta qualità su cui vienedepositato un rivestimento basso emissivo trasparente attraversoil processo “magnetron sputtering” dopo che la lavorazione delvetro è stata completata. Questo processo “off-line” è statosviluppato per essere utilizzato specialmente in vetrata isolante.

Pilkington SuncoolTM HPE’ un vetro float chiaro o colorato rivestito mediante specialicoatings depositati off-line al termine della lavorazione del vetro.Le vetrate isolanti realizzate con questi prodotti combinano lecaratteristiche dell’isolamento termico proprie dei rivestimentibasso emissivi con quelle del controllo solare.

Pilkington SuncoolTM BrilliantVetro coatizzato altamente selettivo, rappresenta il prodotto piùperformante in termini di risparmio energetico estivo ed invernale.

Pilkington Spandrel GlassTrattasi una gamma di pannelli spandrel opachi monolitici o invetrata isolante. Pannelli isolanti retrostanti in schiuma o fibra divetro sono disponibili in diversi spessori in modo da soddisfarediverse esigenze di isolamento.

Tipici valori della trasmittanza U sono illustrati in Tabella 1(pagina seguente).

I valori U riportati nella tabella sono stati determinati in accordo con la EN 673: 1997, e fanno riferimento per il vetro ad uno spessore di 4 mm e ad intercapedini da16 mm fatta eccezione per Pilkington SuncoolTM HP che fa riferimento ad uno spessore di 6 mm

Perdite di caloreTrasmissione termica

Valore ULe perdite di calore sono quantificate dalvalore della trasmittanza termica U. Ilvalore U , generalmente espresso in unitàdel Sistema Internazionale (W/m2K)rappresenta la densità di flusso termico che,in condizioni stazionarie, attraversa unastruttura interposta tra due ambienti, divisaper la differenza di temperatura tra i dueambienti ai lati della struttura stessa. E’ piùgeneralmente definita come la quantità dicalore perduta per metro quadro incondizioni stazionarie per effetto di unadifferenza di temperatura di un gradoKelvin (o un grado Celsius) tra l’ambienteesterno e quello interno, separati da unavetrata o un altro elemento costruttivo.

Valore KIn alcune parti del mondo, si definisce latrasmittanza termica con il valore K.L’unità di misura di K è sempre W/m2Kanche se talvolta si può trovare espresso inKcal/hrm2°C. Questa unità di misura èleggermente più grande per cui K appariràleggermente più piccolo: per convertire daKcal/hrm2°C in W/m2K basta moltiplicareper 1.163.

Valore RLe perdite di calore vengono talvoltaquantificate in termini di resistenzatermica, valore abbreviato con R.Quest’ultimo non è altro che il reciprocodi U.R = 1/U, m2K/W (o ft2hr°F/Btu)I valori di U ed R per una serie di prodotticommerciali diffusi sono forniti in Tabella2.

Valori basati su uno spessore di 4 mm per il vetroe 16 mm per le intercapedini con aria

Meccanismi di perdite di calore attraverso le vetrate

Ci sono tre stadi di trasmissione termica attraverso i prodotti vetrari• Cessione di calore dalle superfici della stanza verso il vetro• Cessione di calore attraverso il vetro• Cessione di calore dalla superficie esterna del vetro verso l’ambiente esterno.

I meccanismi sono illustrati in Figura 1(a) e 1(b)

Figura 1(a). Meccanismo di perdita di calore attraverso il vetro singolo Figura 1(b). Meccanismo di perdita di calore attraverso la vetrata isolante

L’utilizzo di intercapedini fornisce un ulteriore serie diopportunità per incrementare la resistenza termica di una vetrata:• Aumentare lo spessore dell’intercapedine

• Incorporare un vetro basso emissivo (es. PilkingtonK GlassTM, Pilkington OptithermTM SN)

• Utilizzare gas con conduttività termica più bassa

• Inibire la convezione termica all’interno dell’intercapedine

• Creare il vuoto nell’intercapedine.

Aumento dello spessore dell’intercapedineLa resistenza termica può essere incrementata aumentando lospessore dell’intercapedine. C’è un limite dovuto alla convezioneoltre il quale un ulteriore aumento di spessore non comportamiglioramenti. Questo limite si ha a 16 mm. Aggiungendo unulteriore lastra di vetro, e conseguentemente una secondaintercapedine, si ottengono ulteriori miglioramenti.

La Figura 2 illustra l’influenza dello spessore dell’intercapedinesul valore U delle vetrate isolanti riempite con aria.

Cessione di calore verso la superficie interna del vetro

Si verifica trasmissione di calore dalla stanza alla superficieinterna del vetro ogniqualvolta quest’ultima si trovi atemperatura più bassa rispetto a quella dell’aria e delle paretidella stanza. Il calore è ceduto in due modi:

• Per scambio di radiazione a lunghezza d’onda elevata trasuperfici della stanza e superficie del vetro• Per conduzione e convezione termica dall’aria che si muove acontatto con la superficie del vetro.

Cessione di calore attraverso la vetrataIl vetro monolitico offre una scarsa resistenza al passaggio delcalore perché il vetro non è un buon isolante termico. Perincrementare la resistenza, un metodo è quello di aggiungere unaseconda lastra separata dalla prima da un’intercapedine d’aria.L’intercapedine fornisce uno strato resistente addizionaleefficiente data la bassa conducibilità termica dell’aria(confrontata con quella del vetro), mentre la seconda lastraincrementa ulteriormente la resistenza allo scambio termico perirraggiamento da onde lunghe.

Figura 2. Valori U standard per vetrate isolanti con prodotti Pilkington

EsempioPer una vetrata isolante che incorpora due lastre da 4 mm diPilkington OptifloatTM Clear con un’intercapedine in ariada 16 mm, il valore U è approssimativamente 2.8 W/m2K.Questo valore si riduce a circa 1.7 W/m2K quando unalastra viene sostituita con un vetro coatizzato bassoemissivo (Pilkington K GlassTM per esempio).

Nota. Il limite teorico assoluto in questo caso è di circa 1.5W/m2K (nessuno scambio per irraggiamento da ondelunghe).

Utilizzo di vetri basso emissiviL’uso di rivestimenti a bassa emissività (Low E) sullesuperfici del vetro danno la possibilità di ridurre laradiazione ad onde lunghe scambiata tra le lastre. Inintercapedini dalle superfici non rivestite, lo scambio perradiazione attraverso di esse è alto, arrivando ad essere circail 60% del totale scambio termico attraverso lo spazio.Utilizzando su una delle due superficie del vetro unrivestimento con emissività inferiore a 0.2 (la si confronticon l’emissività normale del vetro non rivestito che è pari a0.88), lo scambio per radiazione è ridottoapprossimativamente di tre quarti ed il valore U viene diconseguenza ridotto.

Un effetto simile si osserva con vetrate triple dovel’incorporazione di due vetri basso emissivi riduce il valoreU da 1.9 a 1.0 W/m2K.

EsempioConsiderando una vetrata isolante contenente una lastra diPilkington OptifloatTM Clear e una di Pilkington K GlassTM

e un’intercapedine riempita in argon, il valore U vienetipicamente ridotto da 1.7 a 1.5 W/m2K. Il valore U vieneulteriormente ridotto a 1.35 W/m2K se l’intercapedine èriempita con gas krypton. Se poi si considera una vetratatripla, utilizzando Pilkington K GlassTM come lastra esterna elastra interna, il valore U si riduce progressivamente da 1.15 a0.95, a 0.7 quando l’aria è sostituita rispettivamente con argone krypton.

L’effetto dell’utilizzo di diversi sistemi per incrementarel’isolamento dei prodotti vetrari è mostrato in Figura 3.

I vetri basso emissivi mantengono una buona trasparenza allaradiazione solare dando un miglioramento in termini diguadagno solare passivo. In climi freddi la temperatura piùelevata della superficie della lastra interna della vetrataisolante utilizzando vetri Low E diminuisce la sensazione di“zona fredda” nei pressi delle finestre.

Gas a bassa conducibilità termica

Vetrocamere con rivestimento basso emissivo possono anchecontenere gas con conduttività termica più bassa rispetto aquella dell’aria, come l’argon, fornendo un ulterioremiglioramento del valore U.

Cessione di calore dalla superficieesterna del vetroIl passo finale della cessione del caloreavviene dalla superficie esterna del vetro.Come per la superficie interna del vetro, ancheper quella esterna i sistemi di trasmissionetermica sono la radiazione a onde lunghe e iprocessi conduttivi e convettivi. Il bilancio ela consistenza della trasmissione termica daquesta superficie variano considerevolmente,e sono regolati dalle condizioni climatiche.Lo scambio termico dovuto alle onde lunghedipende dalla temperatura delle superficiesterne circostanti e dalla temperatura delcielo. Con cielo limpido , la temperatura delcielo può essere estremamente bassa; questoeffetto è dimostrato dalla formazione di

condensa e brina sulle superfici esposte alcielo chiaro dovuta al loro raffreddamentoquando esposte alla temperaturadell’ambiente esterno. La quantità di caloreceduto per effetto di conduzione econvezione è in genere elevata per effettodell’influenza del vento ed èparticolarmente importante in siti moltoesposti. La pioggia che cade sul vetrotrasportata dal vento incrementeràulteriormente la perdita di calore a causadel raffreddamento che comporta e delcalore sottratto per la propria evaporazione.Allo scopo di calcolare il valore U, vengonoutilizzate condizioni standardizzate: essepossono variare a seconda della normativaa cui ci si riferisce.

Figura 3. Valori U (W/m2K) di vetrate fortementeisolanti e sviluppo di tecnologie per l’isolamentotermico del vetro

Scelta dei distanziatori e dei serramentiLe vetrate isolanti che contengono vetri ad alte prestazionirichiedono un adeguato isolamento anche per quel che riguarda idistanziatori di bordo. Allo stesso modo è richiesto un isolamentotermico adeguato per il serramento. Se queste prestazioni nonvengono raggiunte, i benefici ottenibili dal vetro risultano diminuirein modo significativo. Sebbene una vetrata isolante convenzionalecon un vetro basso emissivo pirolitico (come Pilkington K GlassTM)e riempita con argon raggiunga valori U compresi tra 1.5 e 1.9W/m2K, se non opportunamente isolata con serramenti in legno,plastica, alluminio o acciaio può raggiungere valori U compresi tra2.8 e 7.0 W/m2K.L’isolamento termico della finestra completa è costituito da trecomponenti:•Il vetro•Il distanziatore nella vetrata isolante•Il serramento

Il distanziatore in vetrata isolanteLe lastre componenti delle vetrate isolanti sono tenute separateattraverso un canalino distanziatore ad esse sigillato. La presenza delcanalino distanziatore in alluminio in vetrata isolante incrementa ilvalore generale U del vetro e del serramento per effetto del “cortocircuito” termico sul bordo.

Questo penalizza il valore U globale e provoca un abbassamentodella temperatura nella zona di bordo, causando spessocondensazione sul vetro o, in condizioni climatiche invernali severe,brina o ghiaccio.L’effetto del distanziatore può aggiungere fino al 10% al valore Udella finestra.

Progetto del serramentoL’isolamento termico del serramento è importante, dal momento chela percentuale generale del telaio dal punto di vista dell’area, puòrappresentare dal 10 al 20% (e talvolta di più) rispetto dell’aperturatotale della finestra. Dal Luglio 1995 le normative edilizie delRegno Unito hanno incluso nuovi requisiti energetici. L’attenzione èstata puntata sull’influenza dei ponti termici, e nel caso delle vetratesi tiene conto delle perfomance dei materiali dei serramenti dellefinestre e degli abbaini.

I serramenti in legno garantiscono isolamento termico essendo laloro conduttività termica relativamente bassa (approssimativamente0.16 W/m2K). Le materie plastiche hanno una conduttività termicapiù alta ma le caratteristiche in un serramento possono esseremigliorate progettando nel profilo varie camere chiuse. I serramentipossono anche prevedere dei rinforzi in acciaio per aumentarne laresistenza meccanica ma l’elevata conduttività elettrica dell’acciaione penalizza il valore U totale.

I valori U sono riferiti a lastre di Pilkington OptifloatTM Clear e Pilkington K GlassTM dello spessore 4 mm.I parametri vengono calcolati in accordo con la EN 673:1997 per condizioni di esposizione “normali”. Il valore U viene arrotondatoal più vicino 0.1 W/m2K come definito al paragrafo 9 della normativa suddetta.

Il valore U totale della finestra può essere calcolato considerando le proprietà isolanti della vetrata, dei distanziatori e delserramento.

Doppiavetrata

Triplavetrata

Trasmittanza termicaCalcoloDal momento che la temperatura e il flusso dell’aria varianosensibilmente a seconda della località e della posizione in cui lafinestra viene installata, le proprietà termiche di finestre e vetratedifferenti possono essere confrontate solo quando siano definitedelle condizioni standardizzate.La norma EN 673: 1997 specifica la procedura per ladeterminazione del valore U del centro della vetrata singola, doppiao multipla, che può contenere superfici con rivestimento bassoemissivo rivolte verso l’intercapedine. Non vengono presi inconsiderazione gli effetti di bordo dovuti a ponti termici attraverso icanalini distanziatori o i serramenti.

MisurazioneLo sviluppo di semplici codici per classificare l’isolamento di unafinestra completa dipende dall’uso di misure standardizzate.La misurazione delle prestazioni termiche di un sistema vieneottenuta attraverso l’uso di un apparato “Hot Box”. Si tratta di untest progettato per calcolare le proprietà di trasmissione termica dielementi costruttivi completi (es. una parete, una finestra, un tetto).

Questo sistema fornisce valutazioni accurate delle proprietàtermiche e del valore U dei componenti di un edificio inapplicazioni tipiche. In questo test, la finestra viene fissata inun’apertura di prova ricavata all’interno di un muro che separauna “hot box” da una “cold box”. Nella “hot box” le condizioni ditemperatura sono mantenute ai valori tipici per gli ambientiabitativi interni, con aria che si muove per convenzione naturale;nella “cold box” invece vengono riprodotte le tipiche condizionidi temperatura e flusso d’aria dell’ambiente esterno. L’energianecessaria a mantenere costanti le condizioni viene misurata e sieffettua un confronto fatto con campioni standardizzati e calibratiper determinare il valore U della finestra. Durante il test vengonomonitorate approssimativamente 250 temperature, la velocitàdell’aria ed i flussi di energia. I dati misurati sono quindiautomaticamente elaborati dal calcolatore che forniscerapidamente le performance termiche del campione misurato.

Figura 4. Sezione dell’apparato Hot Box

Valore U effettivo (Valore di bilancio energetico)

I materiali da costruzione consentono al calore di disperdersi versol’esterno con vari meccanismi. Materiali come il vetro che ètrasparente alla radiazione solare consentono però al calore diorigine solare di entrare all’interno dell’edificio. Il valore Utradizionalmente utilizzato per calcolare le perdite di calore nontiene conto di quest’ultimo contributo e conseguentemente lamisura del comportamento generale dell’edificio può risultareinesatta o poco accurata, particolarmente dove vi siano finestre.Ad ogni modo, il calcolo che combina perdite di calore e guadagnosolare attraverso una modifica del valore U convenzionale, portaalla determinazione di un “valore U effettivo” ( o in alternativa“parametro di bilancio energetico”). La proporzione di caloresolare trasmesso dai materiali dell’edificio che può contribuire alriscaldamento dell’edificio – guadagno solare utile – è sottratto dalvalore U convenzionale. Questo fornisce un bilancio energeticoche dà delle indicazioni più realistiche sul comportamento termicodell’edificio.

Un metodo di calcolo che identifica in un unico parametrol’influenza della finestra sul consumo energetico totale, è statoconcepito. Il metodo valuta un bilancio tra perdite di calore e

guadagno solare nell’edificio attraverso le vetrate per un certoperiodo di tempo attraverso una media delle perdite di calorechiamata “parametro di bilancio energetico”. La metodologia èbasata su condizioni meteorologiche standard e sullecaratteristiche energetiche delle vetrate. Il calcolo del bilancioenergetico è standardizzato in modo tale che un confronto traprodotti possa essere fatto e preso in considerazione per ognilocalità ed applicazione vetraria.

L’utilizzo della vetrata isolante, specialmente quelle cheincorporano vetri basso emissivi Pilkington, consentono diaumentare la temperatura della superficie interna della vetratarispetto a altre composizioni con livelli di isolamento menoaccurati. Ciò incide sul comfort interno e sulla formazione dicondensa sulla superficie interna del vetro.

Benessere degli occupanti

La sensazione di benessere termico e di soddisfazione o disagiodegli occupanti dipendono dalla loro interazione e risposta acerti parametri fisici.Il sistema di termoregolazione del corpo umano tende amantenere la temperatura costantemente a 37°C. Il benesseretermico dipende da quanto il sistema metabolico è in equilibriotermico con l’ambiente circostante. I fattori fisici cheinfluenzano la sensazione di comfort termico sono quelli checonsentono di supplire alle perdite di calore dell’organismoumano.

Comfort termicoQuesti fattori sono:•Livello di attività fisica: più essa è consistente più calore vienegenerato dal corpo•Abbigliamento ed isolamento termico: modificano la quantità dicalore disperso dal corpo•Velocità ed umidità dell’aria•Temperatura dell’aria e temperatura media radiante dello spaziocircostante.

Dal momento che non ci sono individui perfettamente uguali, c’èsempre un significato statistico nella soddisfazione espressarelativamente alla situazione di un ambiente dal punto di vistatermico. Alcuni occupanti sentiranno ancora disagi termicilocalizzati anche quando le misure termiche indicano chel’equilibrio è stato raggiunto, cosa che dovrebbe significare ilraggiungimento del benessere.

Il progetto delle vetrate allo scopo di migliorare le condizioni dibenessere è fortemente influenzato dalla temperatura radiante e daquella dell’aria.

Contributo del vetro al benessere termico

Le perdite di calore verso le superfici fredde adiacenti, come nel caso dellevetrate monolitiche, possono causare raffreddamento locale e perdita dicomfort. Questa sensazione è dovuta alla radiazione termica scambiata dallasuperficie del corpo verso la superficie fredda della finestra. Questo effetto“zona fredda” può essere ridotto utilizzando vetrate isolanti e vetri bassoemissivi.

Per un occupante che si trovi in prossimità di una finestra in inverno, lasuperficie interna del vetro (che può essere molto più fredda rispetto allealtre superfici interne alla stanza) influenza la percezione di benesseretermico. Questo è il risultato della perdita di calore dovuta alla radiazionetermica a onde lunghe tra i corpi degli occupanti e le superfici fredde delvetro, contribuendo ad una sensazione di freddo e malessere. Ci possonoessere differenze anche molto rilevanti tra diverse posizioni nella stessastanza a seconda della distanza dalle finestre oltre che della loro dimensionee temperatura superficiale.

In climi temperati freddi, temperature più alte della superficie internapossono essere ottenute tramite l’utilizzo di vetrate isolanti e dei vetri bassoemissivi Pilkington K Glass e Pilkington Optitherm SN, risolvendo ilproblema delle zone fredde vicino alle finestre.

CondensazioneCondensa sulla superficie interna del vetro

Condensa di umidità atmosferica su una superficie può avvenirequando la temperatura del “punto di rugiada” dell’aria a contattocol vetro supera la temperatura superficiale del vetro stesso.La temperatura superficiale del vetro dipende da:•Trasmissione termica del vetro•Temperatura dell’aria interna•Temperatura dell’aria esternaInvece il punto di rugiada è determinato da:•Temperatura ed umidità relativa dell’aria internaLa relazione tra questo quattro variabili (temperatura interna,temperatura esterna, trasmittanza termica e umidità relativa) vieneillustrata in opportuni grafici per la previsione della condensazione.Se tre qualunque di queste variabili sono note, dal diagramma siricava la quarta.Questi diagrammi sono relativi a condizioni di esposizione normali,per vetrate verticali in cui il flusso di calore dalla stanza più caldaall’ambiente esterno più freddo risulta orizzontale.L’inizio della condensazione sulla superficie interna del vetro puòessere controllata sia riducendo l’umidità interna, econseguentemente abbassando il punto di rugiada, o alzando latemperatura della stessa superficie interna della vetrata.La seconda soluzione può essere ottenuta aumentando l’isolamentotermico della vetrata, per esempio tramite l’utilizzo di una vetrata

isolante che incorpori un vetro basso emissivo Pilkington K Glass oPilkington Optitherm SN.

Condensa sulla superficie esterna del vetro

La condensa esterna (rugiada) può avvenire occasionalmente suvetrate molto ben isolate in climi temperati. Questa remotaeventualità può verificarsi in notti senza nuvole in assenza (o quasi)di vento, e di solito qualora un fronte caldo segua un periodo freddo.La combinazione di numerosi fattori, nominalmente la temperaturadell’aria esterna, condizioni microclimatiche localizzate e latrasmittanza termica del vetro stesso possono contribuire allaformazione di condensa esterna. Come conseguenza della variabilitàdelle temperature e delle condizioni climatiche localizzate èpossibile sperimentare situazioni per cui le finestre nello stessoperiodo e nella stessa situazione di isolamento appaiono a voltechiare a volte appannate.Il fenomeno è influenzato dall’isolamento termico della vetrata.Vetrate singole offrono un isolamento termico scarso e il calore chesfugge dall’interno della stanza passa facilmente all’ambienteesterno attraverso il vetro. Dunque temperatura della superficieesterna del vetro monolitico tenderà ad essere solitamente più altarispetto a quella del punto di rugiada dell’aria esterna, impedendo inquesto modo la formazione di condensa su quella superficie.

Con le vetrate isolanti convenzionali le prestazioni termiche vengonomigliorate, ma il calore che sfugge è comunque sufficiente a riscaldare lasuperficie esterna del vetro in maniera tale da evitare la formazione dicondensa nella maggior parte delle circostanze.

In comune con altre vetri basso emissivi, Pilkington K GlassTM e PilkingtonOptithermTM SN riflettono indietro il calore verso la stanza ed in questomodo la quantità di calore che passa attraverso la vetrata è ridotta. Il pannelloesterno della vetrata isolante con basso emissivo non viene riscaldato dallacalore disperso (che viene invece trattenuto all’interno della stanza) epresenta una temperatura più fredda verso l’ambiente esterno.

In alcuni casi e situazioni in cui la temperatura della superficie esterna risultipiù bassa rispetto a quella del punto di rugiada dell’aria (e quando lecondizioni ambientali rispecchino quelle precedentemente descritte) si potràavere condensazione sulla superficie esterna della vetrata.

Comunque, la combinazione di questi fattori è estremamente difficile daprevedere ed quindi impossibile quantificare il numero di occasioni in cui ilfenomeno si può presentare. In generale esso è relativamente raro ed in ognicaso rappresenta un accadimento transitorio: non appena cambino leparticolari condizioni meteorologiche che hanno causato il fenomeno, lacondensa si dissiperà in un breve periodo di tempo così come accade per larugiada mattutina.

Questa pubblicazione fornisce una descrizione generale del prodotto e dei materiali.E’ responsabilità dell’utilizzatore di questo documento assicurare che il loro uso

sia appropriato per ciascuna particolare applicazione e che tali applicazioni siano in accordocon tutte le norme legislative locali e nazionali, con le normative tecniche, con i

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Pilkington Italia Spa con la presente declina ogni responsabilitàper qualunque errore od omissione proveniente da questa pubblicazione

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