Analisi comparativa sul comportamento termoigrometrico di pareti costituite da vari materiali abitualmente impiegati nell' edilizia (C0cêarative ar_alysis of the hygrothermometric behav i our of walls' m" de of vnrious materiaIs commonely used in buildings)
G. ':'AGLIA!l IN I , G. RAFFEllINI Isti t uto di Fisica Tecnica , Facoltà ~i Ingegneria, Università di :lo 101',118, ltalia
SO:'!l:lc r io :\ ella l:o t 8 viene presentato u:' confr onto , sotto i l jlrofilo t ermoiero~etrico ed energetico, fra ~lcuni ti?i di prodotti in laterizio ed eltri materi~li di diversa natura , aJitualmen te utilizzati ne ll 'eãilizia civile per la realizzazione di pareti apache estern l.?
~ulla bcse delle pro 9rietà termofis iche dei vari mater ial i considerat i, viene condo t ta un 'analisi comparativa riguardante alcun~ , ossioili s oluzioni costruttive utilizzanti i suddetti materiali, rnche acco~~iati a strati isolanti. Tale 2~alisi ha lo scopo di fomire indicazioni pratiche riguardanti il ris jlarmio di energia, l'equiliorio termoigrometrico del l e ~areti ed il lo r o comportamento in r egime termico variabile.
Abstract 11he !)aper prcsents a comparison, frem the hygrothennometric and enere etic viewpo i nts, of several types of externaI wall~ made of ;,;, ricke end other materiaIs of various :cinds which are commonly us ec in civil buildings . J~ the bes is of the thermojlhysical pro perties of the various materialr considered, a cornpar~tive analysis i8 made concerning ~ome po~siole ~uilding solutions using the mentionàd materiaIs, el eo comoin ed wi th insulating layers. ~hc c.im o f theEe analyses i8 to proviãe some practi cal indications es,ecially conceming the energy saving, the hygrotherm~ ",e t r ic e~uilibrium Df the V/all s and their behaviour in variable tem~erature conditions.
1. P:llC-:;SSA l 'attuale crisi energetica e l ' oppor tuna Legge Nazionale N. 373 / 1/ , per al t r o assai deludente nell ' applicazione e nelle veri f iche per 11 comportamento pressoche inadempiente della m'ggiorrillza dei Comuni italiani , hanno i nciso, in questi ultimi anni, in modo profo~co sulla pr ogettazione d! gli edific i e nell 'utilizzazione dei materiali impiegati. L" pr esente nota si jlrojlone di val utare i principali aspetti deI comportamento termoigrometrico dei materiali e delle soluzioni costruttive di interesse pratico, in quanto frequentemente utilizzate nell'edilizia odiema per la realizzazione di pareti opache esteme.
1239
2. cor~!'lO !1t·N:'· F.NTO IN nEGr..1E 'r~~OIG]O:~!:T3ICO STAZIO~iARIO
2.1 Trr~~itt~~zn termicn e temu€rntura superficia1e interna in zo-~1~ corrente In ~ue~ta prima fase d'inde8ine e stato valututo innanzitutto il com)ortamento tennico in regime s tazi onario , ai fini deI r.!. s;"B,rr.J.io d' energia e de1 benessere tennico de1ltam::,iente interno di W1['. eerie di pareii (caei A .; M) , 8ssa i diverse per i material i i mpiegRti e De r i eistemi di ?o s a in o gera adottati. Infatti, mentre i urimi tre caei considerati (A, 3, C) sono carat terietici àel1tedilizia antecedente 1e di~posizioni di iegge sul riE :.armio ener6e t ic~ /1/ e quindi senza ltadozior.e ci 'particol~ ri mi!iurc :::le r limitare 1e dispersioni termiche, e qui consic.er.ê: ~i ~o;rattutto co~e riferimento, tutti gli eltri costituiscono ee€i.l; i di realiz zezioni attuali, differenti pr inci::::mlmente per la :ore~enza e la "Oosizione di stra,ti isolanti oppure per il tipo di materiale adottato. :,ella tabella 1 sono riportati i valori delle pr oprietà termof.!:. eiche dei materiali componenti le ?areti in esame, desunti dalla letteratura specializzata /2,3,4/ ed assunti per i calcoli. In particolare i valori di conduttività termica sono relativi ai
TAilELLA 1
Conduttività Ienei tà Calore spec. Coeff. resisto termica !<gm-3/ a p =costante diffusione
/l'lm-1:r 1/ /JI<g-l ;:-1/ vapore rel~
Á .f ,cf tivo all'aria
)J-
fJ,:IA~TO (LASTRE) 0,60 1800 1000 20
A!lIA ( CAI'iERA D' ) 0,19 (eq.) 1 ,3 1000
CLS AR:,IATO 2,15 2400 880 50 C.I ,S CELLUlARE 0,21 600 800 6
GZSSO 0,70 1200 840 10
IlITONACO 0,90 1800 860 15
LANA MINERALE 0,04 30 840 1 ,5
LATERIZI PORIZZATI 0,28 700 950 6 :,~ATTONI FORATI 0,36 (eq.) 1000 920 8 !,:ATTONI PIENI 0,86 1800 1050 10 . , rOLIURETANO ESPANSO 0,025 35 1400 30
materiali posti in opera /2/. Assumendo i valori di temperatura esterna minima ed umidità relativa , tipici per molte città del Nord ltalia: te = -5°C;fe = 80%, e per l'a~biente interno: ti = 200C; ti = 60% e delle addutt~ze unitarie interna ed esterna suggeri te dalla norma /5/: Cl{ i = 8 Wm j{""1 ed
1240
•
~ e ~ 23 Wm-~-1, sono stati desunti dapprima i valori della trasmitt&~za termica unitaria (K), delle temperature superficiali interne (tsi) ed esterne (tee ) e della densità superficiale (r). I risultati riportati nella tabella 2 mostrano la sensibile differenza dei valori di K e t si tra pareti isolate e non, con valori ~ tcnncdi per quelle costitu1te da materiali di per se parzialmente isolanti.
TABELLA 2
K/llm-2í{-l/ tse/oC/ tsdoc/ I:/kgm-2J
A 1,94 - 2,9 13,9 540
B 1,03 - 3,9 16,8 316
c 3,96 - 0,7 7,8 402
D 0,79 - 4,2 17 ,6 246
E 0,72 - 4,2 17 ,8 186
F 0,46 - 4,5 18,6 333
G 0,65 - 4,3 18,0 541
H 0,65 - 4,3 18,0 541
I 0,79 - 4,2 17 ,6 421
L 0,79 - 4,2 17,6 421 ., j ., 0,53 - 4,4 18,4 60
Nel l 'ipotesi teorica di regime stazionario, la posizione dell'iso-12n ~e non ha alcuna influenza BulIe dispersioni termiche (vadasi c~ si C, H ed I, L). I v~ lori di te~~eratura superficiale interna sono significativi per qU:?..i.lto ri L,"'ULlrda il rischio deI manifestarsi di condensa superficiale, C: iC , n clle conàizioni ipotizzate, si formerebbe per valori di tsi < 12<C e per quanto ri guarda il benesscre terrnieo interno, che potr eboe CRSere compromesso da scambi radiativi interni troppo int cn~~i •
2. 2 Tr2.;:~Jit tanza lineare e temperatura superficial e in zona ponte termico
:.l eéiante UlO programma di calcolo già elaborato /6/, utilizzante il lr. etcdo lJ.u.r.ierico degli elementi fini ti, sono stati desunti i valori dcl coefficiente lineare (K~) e gli andamenti delle linee isoterrniehe rispettivamente a ooe (linca tratteggiata) , 120C (linea continua), 14° C (linea tratto e punto), relativi ad alcuni esempi di ponte teE r:ü co c~e si verificano all'intersezione parete verticale-solaio di :;:'ü ...... '10, a.l1che passante. 1c prrreti verticali considerate sono alcune fra quelle già esaminate aI preceàente paragrafo o
I r isultati sono riportati nelle Figg. 1 ~ 7; il loro esame suggerl s ce le següenti considerazioni:
1241
- i easi a, b, e,presentando disuniformità geometrica, ma limitate disomogeneità della conduttività terrnica dei materiali, sono earat terizzuti da modesto effetto di ponte termico;
- il caso d, esempio ' di isolamento dalltesterno con solaio aggettante, pur presentando evidenti distorsioni del le linee isotermiche, che stanno a testimoniare della presenza di sensibili flussi ter~ici non perp endicolari alIa parete, e di conseguenza un elevato vaIare di K(, non evidenz iano risehio di condensazione superfici! le interna; aI contrario deI caso d, i casi e ed f, con isolamento dall'in~erno , present2l10 anche questo rischio. Va sottolineato che questa differenza nei r isultati dipende molto piu dalla posizione del-l'iso12l1te che daI tipo di materiale portante impiegato; il caso g, in cui la presenza dell t in tercapedine dI aria sen za inserimen to di isola~te ê caratteristico dell ' edilizia antecedente le dispos izioni di Legge / 1/ , evidenzia un comportamento intermedia fra queIli co:·.siderati precedentemente.
2.3 Comportamento termoigrometrico di pareti E' stato valutato per le pareti in es&~e il compo rtamento termoigro metrico secondo il metodo grafico approssimato di Glaser /7/, per verificare la possibilità di condensazione deI vapor d'acqua all'i~ terno delle stesse e l'entità deI fenomeno , quantificato dall'area co~presa fra le linee rappresentative ri spettivamente della pressi~ ~e par ziale del vapo r d 'acqua (Fv ) e della pressione di saturazione (?sl nel le zone in cui Fv> Fs • I risultati sono riportati , unit~ente all'andamento della temperatura , negli schemi delle Figg. 8 ! 18, dove si puo osservare come questo problema insore;a nei casi in cui gli strati di materiaIe i80 2.C.l1te sono posti verso l t interno dei locali rincaldati (H, I, M) od in pos izione intermedia (F) e richiedano in questi casi la messa in opera di barri ere aI vapore, mentre ness1.U1 problema insorge in tut'~i CIi aI tri cas i considerati •
.3 . C01~ lrortC' .. njcn to in r crir:Jo tcrmico vo.ri.s..bil e Pur CGzcnuo 17101 to frc(lucntcrnentc vo.lutatc le preztazioni de llc par e ti solo in reeime tcr~ico stazionario , tuttavia in fase di progett~ zio~e , sarebbe opportuno non t rascurar e le variazioni delle condizioni 8.I:lbientali a cui esse sono sottoposte. A tal e scopo, nella presente nota , si c supposto che le condizioni 8.r.1bientali siano le medesime a due istanti di tempo( e 7:"+"'0 ,per Ol91i valore di L , 1l per un intervallo di tempo <o costa"te; tale r egi me e comune~ente detto periodico stabilizzato e to ne e il peri~ à.o . L~oltre se si trascurano le non linearità pres enti nel processo di sC2!:i.bio tennico che 2.vviene tra parete e arn!.Jiente, e possibile comprendere in un solo parametro i fattori che determin2l10 le condizio ni ambientali esterne: temperatura dell'aria ed irraggiamento sola: re. Questo fattore e noto come temperatura aria-sole ed e espresso daI la relazione: -
aI tas = te + o(e
1242
do ve e te: l
a
temperatura dell'aria esterna, potenza termica, dovuta alIa radiazione solare, inciden te sulIa unità di superfície di parete considerata , coefficiente di assorbimento della superfície esterna della parete ,
~e adduttanza unitaria esterna. Per semplicità di trattazione, l'ambiente intenlo e assunto a tempe ratura costante. In tali condizioni e possib ile calcolare la poten= za termica che attraversa la parete istante per istante, aI fine di u,.'1 piu corretto dimensionamento degli impianti, ovvero, in assenza di i~pianto di condizionamento dell'aria, pe r valutare se la parete considcrata e in grado di assicurare un sufficiente b~'1eSEere termi co agli utenti, attenuando e ri tardando opportunamente l'onda termica esterna. Per tanto e utile calcolare la riduzione d'ampiezza (0-) e i1 ritarào di fase (y), relativi alla superficie inte~a àella pa re te /8/, di una sollecitazione sinusoidale, di dato periodo, veri= fi cantesi nell'anbiente esterno, con l'ambiente interno mantenuto a temperatura costante. I valori di <f e 'r passaDo eSSere assunti come i~dice delle prestazioni della parete esterna ed inoltre, la loro conoscenza in funzione del periodo to, consente, mediante la tecnica del l'2J1alisi di Fourier, di determinare i flussi termici che istante per istante attraversano la parete in corrispondenza di una qual sivoglia variazione period~ca deIla te~peratura dell'aria esterna e dell'irr~ggiamento solare. Per le pare ti eià considerate ai precoden ti paracrafi, A .; Ir , sono ri portati in Tabella 3 i valori di cr e "'t -ca lcolati con il metoco 8.'1alitico dell'analogia elettrica /8/, per lli1 8,. sollecitazione esterna sinusoidale, di ampiezza unitaria. Insie"C c.i v"lori relativi all'armonica fondamentale (periodo 24 ore), e p8.rso opportuno riportare anche quelli relativi alIa seconda armoni ca ( ll criodo 12 ore), poiche negli orientamenti EST ed OVEST, a causa Gc ll 'irr~gGiamento solare dissir.~etrico , ne11a temperatura aria-sole e ;)resente uno. componente non trascura'.Jile avente periodo di 12 ore. Nel l 'ori ent8J.'1ento SUD e su su?erfici oriz.zontali, invece, la sola pri::1.:l ~rrnonica r , .!)!"ossima sufficicn temente, per i fini pratici , la v:"!.r i c,zione dellc condizioni esternc nel1 t arco dc11e 24 ore. COll trílri2.rncnte a quanto o.vviene ne1 caso deI regime stazionario, la r i sposta delle pareti a sollecitazioni termiche variabili nel tempo dip el1de non solo dalle caratteristiche termofisiche e dagli spessor i dei materiali costituenti la parete ma anche dall'ordine con il Qual e questi sono disposti . Infatti, vedasi ad esempio, le pareti G e ~ L e quelle H ed l, per le quali i valori di c:; e 't' sono sensibilme~te diversi, ed in particolare per le pareti l ed L. In generale la disposizione dell' isolante termico ,\~erso l' esterno esal ta 1e car attcri stiche di attenuazione e di sfasamento della parete . 1 e pnreti considcrate presentano valori di riduzione d 'aopiez za deI 1 t a rn:oniea fonda":lentale inferiori a 0,07, con 1 t ecc ezione deI caso C a causa dell'elevata conduttività termica de1 calcestruzzO. I valori relativi alIa seconda armonica risultano malta inferiori a que sti , se si eccettua la parete I/I che, a causa della bassa densità s~ perfiCiale, e particolarmente sensibile alle sollecitazioni di breVe perio do.
1243
TA3ELLA 3
a- o- t' 't' armonica 20. annonica armonica 2"- armonica fondamentale fondaJ!lentale
A 0,067 0,024 9 ,4 7,0
B 0,043 0,015 9,6 7,4
C 0,326 0,193 4,2 3,2
D 0 , 034 0,012 9,7 7.5
E 0,047 0,021 7,4 6,0
F 0,019 0 ,006 9,5 6,9
G 0,007 0 ,002 11 , 9 8,4
H 0 ,010 0 ,003 11 ,5 8,3
I 0,046 0,024 5,7 4,1
L 0 , 027 0 ,013 6,4 4,1
M 0,064 0,057 1 ,7 1 ,7
Analoganente, per quasi tutte queste pareti , il ritardo di fase e tale da garantire un sufficiente intervallo di tempo tra gli ist~ ti in cui si verificano i valori massimi della sollecitazione teroica esterna e del flusso che attraversa la supcrficie interna della parete . Fanno ancora eccezione le pareti C ed 1.1 per i motivi già CS'Pooti. Per alcQ~e de l le pareti considerate e parso infine di qualche interesse calculare i flussi tennici che attraversano 1e suparfi ci esterna (0e ) ed interna (0i) quando la temperatura aria-sole varia c o~c rappresentato in Fig . 19, (valori t eorici relativi a Bologna ncl mese di Larzo per orientamento SUD)mentre l' ambiente interno e m~~tcnuto alla temperatura costante di 20°C. Il flusso termico mediamente disperso (0m) dall'ambiente interno verso l ' estcrno nelle 24 ore, indicato nelle Fi gg. 20 ~ 26 da ~~ seemento a tratto disco~ tinuo " pari al valore calcolabile nel regime stazionario , caratterizzato dal valore media della temperatura aria- sole considerata. Dalle fiGUre si puà tuttavia osservare come, con la sola esclusione della parete G, durante le ore del soleggiamento, penetrino nella parete quantità di calo r e ingenti. Una piccola parte di questo ra~ giunge l'ambiente interno, mentre la restante viene immagazzinata dalla paretc. In questa ipotesi di tresmissione deI calore, piu che i valori minimi e massimi di 0 e e 0i , appaiono significativi i val~ ri del rapporto ira il valore massimo di 0e ed il relativo valor e medio 0m• Come e desumibile dagli andamenti riportati nelle figure, tale rapporto assume per queste pareti valori che vanno da un minimo di 11,5 per la parete C fino ad un massimo di 84 per la parete H, isolata verso l'ambiente interno. Tale calore, accumulato nella parete durante il giorno, se si potesse evitare il suo ritorno allo
1244
~)1,;)iC!ltC estcrno durante la notte , ri st;.lter eobe esuber al1te ri spet_ to all e c.isper sion i de11'ambiente. E' peraltro possibile costruir e lo.. ?arete i n J:l0C.O tr.1 e che i1 f luEso terr:: i co che l ' attraversa abbia t:..:.: ::: dir c:3 i one pr Cf Cr el'l Zie.le: dall'ambiente csterno verso l'interno. Ci o G otte:libile sovra~ponendo al Ia par ete tma o pi u lastr e di Vet ro, onde sfruttar e l'cff etto serra, co~c avv i ene in alcur.e applica zioni di cdil i zia pass i va (serre, s,azi solar i, rnuri di Trombe) . -r uõ inoltr e risQltare util e , util i zzcr e fluidi vetto ri per tracpor ~~rc i1 c~lor c dalla maSsa del l a par cte, i n cui e stat o accumulatõ , r.~ l ' ru:I~ücr:tc interno evi tando la r es i stenza tenni ca di conduz i on e, ~) c. rticol2.r:nente elevata qualor a sieno present i strati isolenti in corrispondenza cella s1.i.p erfi ci e interna del1a parete , come e il c~ sc del~a par ete H. D:oll ' ec=e delle figure 21,25,26 s i pu:' vedere come veri il coopor ;cc:;er: to deU e pareU utilizzanti lo stesso mater iale (CLS) in di ver si s~esso ri, Dentre confron tando i diver si ~~damenti nelle Figg. 2Õ, 22 ,25, si puc ri levare, a pari tà di spesso r e , l'influenza di alcuni ti;Ji di ma terial i diver si , ed ancora , esaminando gli "andamenti di fte ec i valori delle differenze (fti - ftm)max riportate nelle Figg. 23 e 24 ,come influisca la posizione di uno strato isolante.
S IBL 10 G~"FIA /V L. 30/4/76 , n. 373 : Norme per il contenimento deI consumo ener
getico per usi termici negli edifici - G.U. 7/6/1976 , nO 14 8 ;D. ? ll. 28/6/1978 , n . 1052; D. I.: . 10/3/1977, G. U. 6/2/1978, n. 36.
/2/ Proeetto di norma CTI 1/121, Aggiornamento della tabella ripor-tato. aI punto 7.1.2. della Noma UN I 7357 (vedasi / 5/) : Condut tività terrnica dei materiali isolanti (in inchiesta pubblica):
/3/ K.llAZNJEVIC: Tabelle termodinamiche - Ed. Del Bianco, !.!ilano, 1971.
/4/ No r ma t iva Tecnica Ilecionale per l'cdilizia r esidenziale pubbli ca uella Rcgione Emilia llomaena , ricerca I CIE-IFT, Vol . 3, Libro della specifiche , Bologna, 1978.
/5/ No r ma lITll 7357: Calco l o deI fabbinogno termico per il ri scal dacento di cdific i, I.1ilano , 1975.
/6/ G. rAGLIA!UNI, A. r;UNAllI: I pont i termici nelle strutturc edili ed i l calcolo della distribuzione della temperatura per particolari ceometrie spaziali - Atti dell'Accademia delle Scienze di Bologna , Anno 26 8 , Serie XIII, Tomo VII pago 99-116, Bologna, 1980.
/7/ GLASER: Graphisches verfahren zur untersuchung von diffusions vo r.:;angen - Kaltethechnik n . 11, 1959.
/ 8/ P. BONDI , P. DI FILIPPO, G.REALE: Thermal performance of walls, Ed. PEG, Milano, 1977.
1245
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