Comportamento dell’involucro in regime termico dinamico e trasmittanza termica periodica

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trasmittanza periodica

A differenza del periodo invernale, l’analisi delle prestazioni energetiche estive di un edificio (ed il comportamento in regime termico dinamico dell’involucro) non può essere condotta assumendo l’ipotesi di regime stazionario. In questo caso, infatti, si assume che le forzanti e la risposta del sistema mantengano valori costanti nel tempo.

Il parametro di riferimento è la trasmittanza U che dipende unicamente dallo spessore e dalla conducibilità termica dei materiali che costituiscono la stratigrafia della parete e non tiene conto né dell’ordine in cui si trovano né della capacità degli stessi materiali di accumulare e rilasciare il calore con un certo ritardo e con una certa attenuazione.

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In estate, invece, è necessario prendere in considerazione il comportamento molto variabile nell’arco della giornata della radiazione solare e valutare il comportamento dinamico dell’involucro opaco che sarà in grado di assorbire la radiazione solare e restituirla agli ambienti interni attenuata e sfasata nel tempo.

Temperatura sole – aria

L’effetto termico provocato dalla combinazione di radiazione solare e di temperatura dell’aria sulla superficie esterna di una parete, viene descritto da un unico parametro: la temperatura sole – aria. Si tratta della temperatura fittizia che dovrebbe avere l’aria esterna per generare su una parete in ombra lo stesso scambio termico realizzato nella realtà dall’azione combinata della temperatura esterna e della radiazione solare.

La temperatura aria – sole si ottiene con la seguente relazione:

dove:

tE = temperatura esterna (°C)

I = irradianza solare (W/m2)

as = coefficiente di assorbimento solare superficiale

h0 = coefficiente di adduzione esterno (W/m2K)

Dall’equazione sopra riportata si evince come la temperatura aria-sole dipenda in maniera direttamente proporzionale dalle proprietà ottiche della finitura superficiale esterna, e pertanto, a parità di condizioni climatiche, una parete di colore scuro, con un elevato coefficiente di assorbimento, presenterà, rispetto ad una parete di colore chiaro, una tas più elevata e pertanto un flusso termico verso l’ambiente interno maggiore.

Nel grafico seguente sono riportati i profili della temperatura aria–sole alle condizioni climatiche di Teramo per pareti orientate ad est ed ovest e rispettivamente con finitura superficiale chiara (as = 0,2) e scura (as =0,7).

temperatura sole-aria
Andamento della temperatura sole-aria al variare dell’esposizione e del coefficiente di assorbimento solare

Risulta evidente come il fattore di assorbimento solare superficiale influenzi in modo significativo il valore raggiungibile di temperatura sole – aria. Ad esempio sulla parete esposta ad ovest con finitura superficiale chiara si raggiunge un valore massimo di 31 °C contro i circa 46 °C che si avrebbero con la stessa parete rifinita con un intonaco più scuro. Questo significa che, supponendo una temperatura costante interna di 26 °C, il gradiente termico tra interno ed esterno risulta essere quasi quadruplicato così come, in maniera direttamente proporzionale, il flusso termico trasmesso attraverso la parete all’ambiente abitato.

L’analisi del grafico ci permette di valutare come la parete soggetta alle condizioni più gravose sia quella esposta ad ovest, in quanto su di essa il picco della radiazione solare incidente si verifica nelle stesse ore in cui è massima anche la temperatura dell’aria esterna.

La temperatura sole – aria non rappresenta l’unica forzante che ci permette di valutare il comportamento dell’involucro opaco in regime dinamico. È necessario tenere in considerazione anche i flussi endogeni generati all’interno dal locale (persone, elettrodomestici) o derivati dagli apporti solari attraverso le superfici finestrate. La differenza sta nel fatto che la prima agisce dall’esterno e la seconda dall’interno.

Trasmittanza termica periodica e capacità termica areica interna

Il flusso termico esterno può essere rappresentato graficamente con una curva sinusoidale con periodo pari a 24 h avente sull’asse delle ascisse il tempo e sull’asse delle ordinate la temperatura. Attraverso la parete l’onda termica subisce un’attenuazione della sua ampiezza ed un ritardo temporale, detto sfasamento.

onda termica
Rappresentazione grafica dell’onda termica

Il parametro che meglio descrive il comportamento di una struttura opaca in regime dinamico è la trasmittanza termica periodica definita come il prodotto tra il fattore di attenuazione e la trasmittanza termica stazionaria.

Descrive le modalità con cui una stratigrafia reagisce alle sollecitazioni termiche dinamiche.

Per quanto riguarda il flusso termico generato dalle forzanti interne il parametro di riferimento è la capacità termica areica interna periodica che descrive la capacità di un componente edilizio di accumulare i carichi termici provenienti dall’interno.

Trasmittanza termica periodica e capacità termica areica interna sono due parametri che in termini di comfort estivo e di comportamento dinamico dell’involucro, sono fortemente correlati l’uno con l’altro. Si riporta a titolo di esempio una tabella tratta da “Comfort estivo e risparmio energetico in architettura” di Clara Masotti in cui sono riportate le coppie di Cie e Yie che garantiscono un adeguato livello di comfort abitativo in regime estivo.

Trasmittanza termica periodicaCapacità termica areica interna periodica
Yie (W/m2K)Cie (kJ/m2K)
  
Yie < 0,04Cie > 50
0,04 < Yie < 0,08Cie > 70
0,08 < Yie < 0,12Cie > 90
Coppie dei valori di trasmittanza termica periodica e di capacità areica interna periodica di una parete opaca per ottenere il comfort interno

Da quanto visto finora si può riassumere che la trasmissione del calore all’interno di un materiale opaco in regime dinamico è legata a tre grandezze fisiche:

  • la conducibilità termica (λ)
  • la densità (r)
  • il calore specifico (c)

La massa termica (r ∙ c misurato in J/m3K) influisce sullo sfasamento dell’onda termica mentre la conduttività termica del materiale λ influisce sullo smorzamento dell’onda termica.

La massa superficiale

È necessario introdurre un ulteriore parametro che fino a poco tempo fa rappresentava l’unico strumento di controllo imposto dalla normativa italiana per la valutazione del comportamento estivo delle strutture opache: la Massa superficiale.

Il D.Lgs 311/2006 imponeva di rispettare un valore minimo di massa superficiale pari a 230 kg/m2. La massa superficiale è data dal rapporto tra la massa del muro e la sua superficie:

La massa M influisce, sicuramente, sulle caratteristiche di inerzia termica della parete ma, come visto in precedenza, non bisogna commettere l’errore di ritenerla l’unico fattore determinante ai fini delle qualità dinamiche di un parametro opaco.

Il ruolo dei parametri dinamici

Il limite principale è che la Massa superficiale non tiene conto minimamente dell’ordine dei materiali di cui è composta una superficie e, pertanto, è possibile avere pareti caratterizzate da uguale massa superficiale e trasmittanza stazionaria, ma capacità termica e fattori di attenuazione diversi.

Nella figura sottostante sono riportati i risultati relativi a tre pareti con disposizioni differenti dello strato isolante, ma con stessa massa superficiale e trasmittanza termica stazionaria.

esempio parametri dinamici
Esempio di stratigrafie con stessa trasmittanza stazionaria e massa superficiale ma con parametri dinamici differenti

Dall’analisi dei risultati ottenuti si può notare come la soluzione con isolamento interno risulta la peggiore in termini di capacità termica della struttura, oltre a richiedere particolare attenzione per la possibile formazione di condensa; la soluzione con isolamento in intercapedine presenta la massima capacità termica della struttura ma anche i valori peggiori del fattore di attenuazione.

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