Valutazione energetica

TERMOFISICA DELL’INVOLUCRO EDILIZIO (02/03/2023)

EDIFICIO: sistema complesso costituito da fabbricato + deve fronteggiare elementi esterni ed interni quali

clima e corrente consumata dall’utenza. L’eventuale contatto con il terreno implica una maggiore

attenzione all’elemento umidità.

UTENTE: variabile più sfuggente dei problemi; può essere sostituito da elemento robotizzato che allevia

variabilità, ma nella maggior parte degli edifici residenziali, non abbiamo una regolarità meccanizzata.

Es. edificio a energia zero= consumo quasi nullo richiesto dall’edificio per il funzionamento.

CAPITOLO 1: ELEMENTI DI TRASMISSIONE DEL CALORE

IL CALORE

Ribadiamo innanzitutto, la differenza che intercorre tra il concetto di Energia e quello di Potenza. Con

ENERGIA facciamo riferimento ad una potenza distribuita su un certo arco di tempo, mentre con

POTENZA ci riferiamo ad un’energia per unità di tempo.

Il CALORE è la forma di ENERGIA che si trasferisce tra due sistemi (o tra un sistema e l’ambiente) in virtù

di una differenza di temperatura. L’unità di misura, secondo il Sistema Internazionale, è il Joule [J]. Può

essere distinto in:

CALORE SENSIBILE, quello che si trasferisce in assenza di cambiamento di fase della materia

- costituente il sistema;

CALORE LATENTE, quello che si trasferisce in presenza di cambiamento di fase della materia

- costituente i. sistema.

Un processo durante il quale non vi è trasmissione del calore è detto PROCESSO ADIABATICO (scambio

termico assente).

LA TRASMISSIONE DEL CALORE

Il calore si può trasmettere per CONDUZIONE, CONVEZIONE O IRRAGGIAMENTO, a seconda del

mezzo.

(1) CONDUZIONE, si attua nei solidi opachi, semitrasparenti o fluidi in quiete;

(2) CONVEZIONE, che coinvolge i fluidi in moto, e può essere NATURALE, se innescata da gradiente

termico, o FORZATA, innescata da uno strumento meccanico;

(3) IRRAGGIAMENTO, che coinvolge solidi semitrasparenti, fluidi o vuoto.

SCAMBIO TERMICO PER CONDUZIONE

EDIFICIO = costruito

INVOLUCRO EDILIZIO = disconnessione tra ambiente che vogliamo controllare e ambiente esterno

Tanto più una superficie è estesa, tanto maggiore è lo scambio termico.

La conduzione è il trasferimento di energia che si verifica per effetto dell’interazione delle particelle di una

sostanza dotate di maggiore energia con quelle adiacenti dotate di minore energia. La potenza è l’energia

scambiata nell’unità di tempo. ∆

= λA

∆

= potenza scambiata per conduzione [W]

= conducibilità termica del mezzo [W/mK]

λ 2

A = area della superficie di scambio termico [m ]

differenza di temperatura [K]. In assenza di variazione di temperatura non c’è scambio termico, è quel

∆=

potenziale che innesca lo scambio.

spessore del mezzo. Quanto più un separatore è spesso, tanto minore è lo scambio termico.

∆=

PARAMETRI CONDUTTIVI

Si definisce conducibilità (o conduttività) termica di un materiale la potenza termica che si trasmette

λ

attraverso uno spessore unitario del materiale per unità di superficie e per differenza di temperatura

unitaria. L’unità di misura della conducibilità è W/mK.

Si definisce conduttanza (o trasmittanza) termica di un materiale la potenza termica che si trasmette

attraverso uno spessore predefinito del materiale per unità di superficie e per differenza di temperatura

2

unitaria. L’unità di misura della conduttanza è W/m K.

Si definisce resistenza termica di un materiale la grandezza inversa della conduttanza. L’unità di misura

2

della resistenza è m K/W.

NORMA UNI 10351

(Materiali e prodotti per edilizia, Proprietà termo-igrometriche, Procedura per la scelta dei valor di progetto)

La norma riporta valori tabellari, suddivisi per categorie edilizie, della conduttività termica di materiali da

costruzione omogenei (il valore varia linearmente con lo spessore del materiale), espressi in W/mK.

Per ottenere la conduttività di calcolo, conduttività di riferimento deve essere maggiorata secondo un

incremento percentuale in funzione dell’umidità contenuta nel materiale.

3

La norma riporta inoltre i valori di massa volumica, espressi in kg/m , e di permeabilità al vapore,

espressi in kg/msPa.

Descrive materiali da costruzione omogenei.

NORMA UNI 10355

(Murature e solai, Valore della resistenza termica e metodo di calcolo)

La norma riporta valori tabellari, suddivisi per tipologie edilizie, della resistenza termica di murature e solai

2

(il valore è caratteristico di ogni elemento composito, di spessore assegnato), espressi in m K/W.

3

La norma riporta inoltre i valori di massa volumica espressi in kg/m , e di massa superficiale, espressi in

2

kg/m . (06/03/2023)

NORMA UNI EN ISO 6946

(Componenti ed elementi per edilizia, Resistenza termica e trasmittanza termica, Metodo di calcolo)

La norma riporta valori di riferimento per la resistenza superficiale convenzionale di elementi edilizi.

La norma riporta valori di riferimento per la resistenza termica di intercapedini d’aria non ventilate.

Nel caso di una struttura composta da un soffitto piano e isolato, sormontato da una tettoia inclinata, il

sottotetto può essere considerato come uno strato termicamente omogeneo, la cui resistenza termica è

data nel prospetto.

I valori nel prospetto si applicano a sottotetti aerati naturalmente, ubicati al di sopra di edifici riscaldati.

PARAMETRI CAPACITIVI

Il calore specifico di un materiale esprime la capacità di accumulo termico del materiale per unità di

massa. L’unità di misura del calore specifico è J/kgK.

La capacità termica di un materiale (prodotto tra il calore specifico e la massa volumica) esprime la

capacità di accumulo termico del materiale per unità di volume. L’unità di misura della capacità termica è

3

J/m K.

Si definisce diffusività termica il rapporto tra la conducibilità termica e la capacità termica:

2

[ /]

CONDUZIONE STAZIONARIA E TRANSITORIA ATTRAVERSO UNA PARETE

Si ha conduzione IN REGIME STAZIONARIO quando il flusso termico entrante nella parete dal lato caldo

uguaglia il flusso termico uscente dalla parete dal lato freddo. Il flusso termico attraverso la parete è

costante. =

Si ha conduzione IN REGIME TRANSITORIO quando la differenza tra i flussi è diversa da zero:

− ≠ 0

(

> → )

< → ( )

CONDUZIONE STAZIONARIA ATTRAVERSO UNA PARETE COMPOSITA

La potenza termica trasmessa in condizioni stazionarie attraverso una parete composita è data dal

rapporto tra la differenza di temperatura tra i due ambienti confinanti e la sua resistenza termica globale.

−

=

1 1

1 2

= + + + ⋯+ +

ℎ λ λ λ ℎ

1 2

e sono detti COEFFICIENTI LIMINARI di scambio termico superficiale, che tengono conto dello

ℎ ℎ

scambio termico e radiativo fra le due superfici della parete ed i relativi ambienti confinanti.

SCAMBIO TERMICO PER CONVEZIONE

La convezione è il trasferimento di energia tra una superficie e il liquido o gas adiacente in movimento e

implica gli effetti combinati di conduzione e di trasporto di massa. La potenza è l’energia scambiata per

unità di tempo. = ℎ( − )

= potenza scambiata per convezione [W]

2

h = coefficiente di scambio termico convettivo [W/m K]

2

A = area della superficie di scambio termico [m ]

= temperatura della superficie [K]

= temperatura del fluido [K]

CONVEZIONE NATURALE E FORZATA

La convezione è detta NATURALE se il moto del fluido è causata da forze ascensionali che sono indotte

dalle differenze di densità dovute alla variazione di temperatura del fluido in un campo gravitazionale.

La convezione è detta FORZATA se il moto del fluido è causato da gradienti che sono indotti da dispositivi

di vario genere quali un ventilatore o una pompa.

In entrambi i casi si individuano due differenti regimi di moto del fluido, detti rispettivamente LAMINARE (in

prossimità della superficie) e TURBOLENTO (a distanza dalla superficie).

COMPORTAMENTO RADIATIVO DI UNA SUPERFICIE

Si definisce emissività ε di una superficie la frazione di energia radiante che la superficie è in grado di

emettere. Il suo valore è compreso tra 0 e 1.

Si definisce coefficiente di assorbimento α di una superficie la frazione di energia radiante che la

superficie è il grado di assorbire. Il suo valore è compreso tra 0 e 1.

Secondo la legge di Kirchhoff sull’irraggiamento, l’emissività e il coefficiente di assorbimento di una

superficie sono uguali alla stessa temperatura e lunghezza d’onda.

SCAMBIO TERMICO PER IRRAGGIAMENTO

L’irraggiamento è il trasferimento di energia che avviene attraverso le onde elettromagnetiche (o fotoni),

prodotte da variazioni nelle configurazioni elettroniche degli atomi o delle molecole. La potenza è l’energia

scambiata per unità di tempo. 4

= εσA

=potenza emessa per irraggiamento [W]

emissività della superficie

ε= 2 4

costante di Stefan-Boltzmann [W/m K ]

σ= 2

A= area della superficie di scambio termico [m ]

= temperatura della superficie [K]

4

= ασA

= potenza assorbita per irraggiamento [W]

coefficiente di assorbimento della superficie

α= 2 4

costante di Stefan-Boltzmann [W/m K ]

σ= 2

A= area della superficie di scambio termico [m ]

= temperatura della superficie [K]

LA RADIAZIONE TERMICA

Tutti i corpi aventi temperatura superiore allo zero assoluto emettono energia sotto forma di onde

elettromagnetiche.

LA RADIAZIONE INFRAROSSA

Si definisce radiazione infrarossa la radiazione emessa con lunghezze d’onda comprese tra 1mm e 700

nm.

La radiazione infrarossa può essere visualizzata tramite una scala cromatica in falsi colori tramite

dispositivi quali le termocamere.

L’EFFETTO SERRA

Lo spettro di emissione del sole è prevalentemente concentrato nella fascia di radiazione INFRAROSSA.

Esistono alcuni materiali di uso corrente in edilizia, es. il vetro, che risultano trasparenti alla radiazione

visibile e viceversa opachi alla radiazione infrarossa.

Le superfici interne di un ambiente confinato da elementi vetrati sono quindi in grado di assorbire energia

radiante dal sole, ma non sono in grado di emettere energia radiante verso la volta celeste. Questo

determina un innalzamento di temperatura nell’ambiente confinato.

La serra nasce come strumento per giardinieri e per motivi medicinali: permetteva di coltivare agrumi e

quindi vitamina C per chi si metteva in nave verso le colonie. Ad oggi la serra solare fa parte degli elementi

progettuali.

L’ARCHITETTURA DEL VETRO non ha un’origine simile a quella della serra, ma è legata alla necessità di

strutture leggere e rapide da costruire, essendosi diffusi i grattacieli. Il vetro è estremamente plasmabile e

versatile, ma diviene un problema rilevante a livello energetico.

COMPORTAMENTO RADIATIVO DI UN MATERIALE TRASPARENTE

La radiazione incidente su di un materiale trasparente (in un certo intervallo di lunghezze d’onda) viene

scomposta i tre differenti frazioni: riflessa, assorbita, trasmessa. La componente riflessa non modifica il

comportamento termico; la componente assorbita è quella da cui deriva la temperatura del vetro che la

assorbe; la componente trasmessa è quella da cui ha origine la temperatura dell’ambiente interno.

: = ; < <

: = ; < <

: = ; < <

+ + =

Per i materiali opachi e la frazione di radiazione incidente che viene trasmessa è nulla.

τ = 0

CAPITOLO 2: DATI CLIMATICI

L’edificio è soggetto ad azione continua da parte di ciò che lo circonda.

La radiazione solare GLOBALE incidente al suolo si può scomporre nelle componenti DIRETTA(1) e

DIFFUSA(2). Ad esse si può aggiungere la componente RIFLESSA(3), dovuta al re-irraggiamento dalle

superfici circostanti.

(1) Raggiunge elemento senza ostacoli

(2) Componente che atmosfera fa propria e poi riflette

(3) Dovuta alle superfici circostanti a quella di interesse

La radiazione diffusa non risente della direzione di provenienza, viceversa la diretta sì, per questo ragiono

anche in termiti di esposizione, importante angolo di azimut.

Variazione della radiazione solare secondo l’esposizione

CALCOLO DELLA PRESTAZIONE ENERGETICA DEGLI EDIFICI

METODOLOGIA E DATI CLIMATICI

Regime stazionario:

Metodo stagionale GRADI-GIORNO DPR 412/93

→

- Metodo mensile MEDIA MENSILE UNI 10349

→

-

Regime dinamico:

Metodo orario→ TEST REFERENCE YEAR

-

GRADI-GIORNO

(definizione secondo D.P.R. 412/93)

“somma, estesa a tutti i giorni di un periodo annuale convenzionale di

riscaldamento, delle sole differenze positive giornaliere tra la

temperatura dell’ambiente, convenzionalmente fissata a 20° C, e la

temperatura media esterna giornaliera”

In funzione dei gradi giorno il decreto suddivide il territorio nazionale in

sei zone climatiche.

L’allegato A del DPR 412/93 riporta per ciascun comune l’altitudine

della casa comunale, i gradi-giorno e la zona climatica di appartenenza.

In funzione della zona climatica il decreto definisce le stagioni

convenzionali di riscaldamento e le ore massime di accensione

giornaliera degli impianti termici.

UNI 10349 RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO DEGLI EDIFICI, DATI CLIMATICI

(1994) prima normativa italiana su dati climatici. La norma fornisce i dati climatici convenzionali necessari

per la progettazione e la verifica sia degli edifici sia degli impianti tecnici per il riscaldamento ed il

raffrescamento.

(Potenza) DATI PROGETTO dimensionamento dei sistemi di riscaldamento e raffrescamento;

→

(Energia) DATI CLIMATICI GIORNALIERI MEDI MENSILI calcolo dei fabbisogni energetici e verifiche

→

igrometriche. Quanto consuma su un arco di tempo un edificio.

La norma riporta, per ciascun capoluogo di provincia italiano, dati tabellari relativi ai seguenti parametri

climatici:

VALORI MEDI MENSILI DELLA TEMPERATURA MEDIA GIORNALIERA DELL’ARIA

- ESTERNA[°c]

VALORI MEDI MENSILI DELLA PRESSIONE PARZIALE MEDIA GIORNALIERA DEL VAPORE

- NELL’ARIA [%] 2

IRRADIAZIONE SOLARE GIORNALIERA MEDIA MENSILE [MJ m ]

- VALORE MEDIO ANNUALE DELLA VELOCITA’ DEL VENTO [m/s]

-

Per località diverse la procedura prevede l’individuazione del capoluogo di provincia di riferimento e

l’impiego dei relativi parametri climatici, rielaborati tramite fattori correttivi. Tali fattori sono funzione di una

serie di coefficienti geografici, fra cui la differenza di quota s.l.m., la differenza di latitudine, la zona di vento,

ecc…

Il gradiente dell’escursione termica è basato anche sulla differenza di quota. Ogni 100m di dislivello, si

disperdono 1-2 gradi

Ai fini del dimensionamento di progetto in regime estivo la norma riporta le modalità di calcolo di:

DISTRIBUZIONE GIORNALIERA DI TEMPERATURA ESTIVA MASSIMA [°C];

- 2

DISTRIBUZIONE GIORNALIERA DI IRRADIANZA SOLARE ESTIVA MASSIMA [W/m ]

-

TEST REFERENCE YEAR (ANNO-TIPO)

(Definizione secondo EN 15927-4) “year of hourly values of appropriate meteorological parameters

representative of the long term climate”

The reference year shall contain hourly values of at least the following meteorological parameters, taken

from a locations representative of the climate concerned:

Dry-bulb air temperature;

- Direct normal solar irradiance and diffuse solar irradiance on a horizontal surface;

- Relative humidity, absolute humidity, water vapour pressure or dewpoint temperature;

- Wind speed at a height of 10 m above ground.

- TEMPERATURA MEDIA MENSILE E MEDIA ORARIA