La riduzione energetica del consumo degli edifici è una misura ritenuta sempre più importante per ridurre le emissioni di gas a effetto serra [1]. La direttiva europea 2010/31/Ce [2] introduce il concetto di edifici a energia quasi zero (Nzebs – Nearly Zero Energy Buildings ) e stabilisce che entro il 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano ad altissima prestazione energetica.
Il modello nord-europeo degli edifici leggeri e super-isolati viene oggi adottato tout-court anche in climi mediterranei, questo fa sì che si amplifichi però il problema del surriscaldamento interno. Infatti, lo spesso strato di isolante impiegato funge da barriera termica rispetto ai flussi di calore in uscita, impedendo la dissipazione del calore interno in estate [4].
Studi recenti hanno dimostrato come in questi nuovi involucri a «tenuta termica», assuma sempre più importanza l’adozione di strati di finitura interna massivi che permettono di ridurre i picchi di calore interni [5-7]. Di recente è stato introdotto un parametro per la quantificazione dell’inerzia interna degli involucri, la k1 (Uni En Iso13786:2008) [8], ovvero, la capacità termica areica periodica interna.
climatizzati o contro terra.
Parametri dinamici per quantificare l’inerzia termica.
L’inerzia termica di una parete è stata ad oggi solitamente valutata con due parametri: il fattore di attenuazione (Φ) e lo sfasamento termico ( Δt) [9]. La norma Uni En Iso 13786:2008 permette di calcolare, oltre ai parametri sopra riportati, anche i seguenti parametri dinamici:
- le ammettenze termiche (Y nn e Y mm), definite come l’ampiezza del flusso termico attraverso la superficie prospiciente un lato del componente rispetto all’ampiezza della variazione di temperatura nello stesso lato, quando la temperatura nell’altro lato è assunta costante;
- la trasmittanza termica periodica (Y mn),ovvero il rapporto tra l’ampiezza del flusso termico in entrata attraverso la superficie del componente prospiciente una zona mantenuta a temperatura costante e l’ampiezza della variazione di temperatura nell’altro ambiente;
- la capacità termica areica periodica (K m), esplicitata come il rapporto tra la capacità termica (C m) e l’area (A) dell’elemento. La capacità termica viene calcolata dal modulo della conduttanza termica periodica netta (|Lmn|) diviso la frequenza angolare (ω).
Nella norma, vengono specificate le capacità termiche areiche periodiche k1 e k2 per ogni componente, una relativa al lato interno e una al lato esterno. Tali capacità sono indice del comportamento inerziale della parete relativamente alle sollecitazioni termiche che provengono dall’interno e dall’esterno dell’edificio.
Da studi effettuati in letteratura internazionale [6,10,11], le indicazioni in merito alla prestazione inerziale che vengono date per le componenti opache nel clima Mediterraneo sono: basso valore di trasmittanza termica stazionaria U, basso fattore di decremento Φ, alto valore di sfasamento termico (Δt) e strato interno con elevata capacità termica areica interna periodica k1.
Ma quali analisi il progettista oggi deve effettuare sulle strutture opache al fine di rispettare i decreti in vigore sull’efficienza energetica? Le trasmittanze termiche stazionarie dell’edificio di riferimento [12] sono per le pareti verticali riportati in tab.1.
Tale parametro è un indice di riferimento del comportamento invernale stazionario della struttura, mentre per quanto riguarda la prestazione estiva il professionista dovrà analizzare altri parametri.
In particolare importante è analizzare il concetto di sfasamento ed attenuazione e la trasmittanza termica periodica, parametri che sono collegati all’onda termica esterna che viene attenuata e sfasata nel tempo e quindi riduce il carico termico entrante attraverso la struttura opaca. La tab. 2 pur essendo stata eliminata con il decreto «Requisiti minimi»[12] costituisce tuttora un valido punto di riferimento per comprendere il comportamento inerziale della struttura senza utilizzare i più esatti metodi dinamici.
Per quanto riguarda il comportamento inerziale interno delle strutture, i nuovi Criteri Ambientali Minimi [13] per le pa, introducono anche per le nuove costruzioni la verifica seguente: k1> 40 kJ/mqK (nei cam la K1 viene chiamata Cip). Mentre per l’esistente bisogna mantenere o migliorare la capacità termica che l’involucro già possiede.
Questo parametro permette al professionista di comprendere con immediatezza come si comporterà la struttura dal punto di vista dell’accumulo termico. Tale accumulo potrà essere sfruttato nel periodo estivo. Infatti, attraverso la venti-lazione naturale notturna sarà possibile raffreddare la massa per poi avere un maggiore beneficio durante il giorno o nei periodi dove è alta la presenza dei carichi interni (fig. 2). A scopo orientativo per le opportune scelte inerenti la stratigrafia dell’involucro esterno che ri -spetti le prescrizioni sopra descritte, si riportano i valori dei parametri termici stazionari e dinamici di differenti tipologie di involucro (tab. 3).
Obiettivi della ricerca
Il presente lavoro di natura sperimentale prosegue la ricerca analitica già avviata dallo stesso gruppo di ricerca nel 2009 e relativa allo studio della k1 [10-11]. Negli studi precedenti si erano presi in considerazione involucri di tipologia costruttiva tradizionale, massivi e super isolati (pareti W1, W2, W3 in tab. 3).
Lo scopo del presente lavoro è stato quello di valutare sperimentalmente le prestazioni di due pareti multistrato leggere «super-isolate» caratterizzate dalla stessa stratigrafia e trasmittanza termica stazionaria U ma con due differenti finiture interne (ad alta e bassa massa, rispettivamente W4 e W5 in tab. 3), al fine di proporre dei possibili interventi migliorativi della prestazione estiva; tali interventi presentano due diversi livelli di capacità termica areica interna periodica (12 kJ/mqK per la finitura leggera e 33 kJ/mqK per la finitura massiva). Le pareti sono state monitorate per un anno al fine di valutare il comportamento delle due finiture, ponendole nelle stesse condizioni interne ed esterne, variando carichi interni.
Metodologia Sperimentale
Caso di studio: il mock-up. Per valutare l’effettivo comportamento delle due tipologie di rivestimento interno oggetto della ricerca, è stata effettuata una sperimentazione su un mock-up, rappresentativo di un ambiente interno reale.
Il mock-up è situato ad Agugliano (zona climatica D), in provincia di Ancona ed è composto da un volume a pianta rettangolare di dimensioni 3,2×5,2 m, per una superficie totale di 12 mq.
La test room è orientata con l’asse longitudinale giacente sulla direzione E-O. La fondazione è costituita da una platea armata e il mock-up è sollevato da terra di 40 cm, al fine di ridurre al minimo gli scambi termici con il terreno. La trasmittanza termica del solaio di calpestio e di copertura sono 0,248 W/mqK e 0,205 W/mqK, rispettivamente.
Il mock-up non è dotato di finestre per evitare apporti termici solari difficilmente controllabili e provenienti da orientamenti non simmetrici rispetto alle due pareti. La stratigrafia delle pareti perimetrali è la stessa su ogni lato. Nella parete Sud sono state testate le due differenti finiture interne.
I sistemi di monitoraggio e di controllo realizzati.
La campagna di monitoraggio è stata condotta nell’anno 2016. È stata messa in opera una rete di sensori per rilevare in modo continuo le condizioni climatiche interne ed esterne della test room. È stata installata una stazione climatica esterna per monitorare la radiazione solare, la temperatura esterna, la velocità e direzione del vento e l’umidità relativa.
Una centralina interna ha rilevato le condizioni ambientali (temperatura a bulbo secco e a bulbo umido dell’aria). Nella parete Sud, sulla superficie delle due finiture, sono state poste delle termoresistenze PT100 (accuratezza ±0,05°C) per rilevare le rispettive temperature superficiali e due termoflussimetri (accuratezza ±3%). Tutti i sensori sono stati collegati a un acquisitore data-logger e le grandezze termiche sono state acqui -site ogni 5 minuti.
Tutti i sensori sono stati precedentemente calibrati. Per poter controllare le temperature dell’aria all’interno durante tutto l’anno, è stato installato un impianto composto da una pompa di calore reversibile e pannelli radianti a soffitto.
Per imporre i carichi interni secondo gli scenari individuati è stato messo a punto un simulatore che prevede l’acquisizione dei parametri termici dei relativi sensori, l’elaborazione di tali dati attraverso algoritmi (on/off e fuzzy) e l’attuazione attraverso l’utilizzo di due radiatori elettrici a parete.
Tale simulatore è stato implementato con il software Labview e componenti National Instruments. Gli apporti interni, forniti con sorgenti di energia termica all’interno della test room dovute agli occupanti e attrezzature, sono stati allineati ai valori di riferimento presenti nella Uni/Ts 11300-1 [17], per una destinazione d’uso di tipo residenziale, secondo il prospetto riportato in tab. 4.
- Scenario 1: sollecitazione termica interna con medi apporti interni, impianto di raffrescamento on;
- Scenario 2: sollecitazione termica interna con elevati apporti interni;
- Scenario 3: nessun apporto interno aggiuntivo, impianto di riscaldamento on.
Risultati
Nel presente paragrafo vengono presentati i dati sperimentali ottenuti durante la campagna di monitoraggio annuale. Per confrontare situazioni differenti di condizioni climatiche esterne e condizioni di carico interne si sono individuati tre giorni relativi ai tre scenari precedentemente introdotti. I giorni selezionati sono: 26 Agosto, 9 Ottobre e 25 Dicembre.
Nel grafico si riportano le condizioni esterne nei tre giorni selezionati. Ad Agosto, il giorno scelto è caratterizzato da un picco diurno di temperatura esterna di 27°C e una minima notturna di 18°C (temperatura media giornaliera registrata pari a 22,4°C) mentre il giorno della stagione intermedia (9 Ottobre) registra una temperatura media esterna giornaliera di 14°C, con valore esterno massimo pari a 17,4°C e minimo pari a 12,5°C. Il 25 Dicembre la temperatura esterna media giornaliera è più bassa (7,7°C), con oscillazioni comprese tra il picco diurno di 10,6°C e il picco notturno di 5°C.
Scenario 1 (26 Agosto). Nel periodo sottoposto a medie sollecitazioni termiche interne, il rivesti-mento interno con elevata k1 registra una oscillazione più attenuata rispetto a quello con minore k1, con valori di temperatura superficiale più bassi di giorno e più alti di notte (fig. 7). Nella fascia centrale diurna, entrambi i rivestimenti registrano un continuo cambio di direzione del flusso di calore, senza una direzione prevalente.
Nella fascia serale, si verifica un maggiore accumulo di calore nella superficie interna del rivestimento dell’involucro W4, senza un incremento della temperatura superficiale. Si denota come, in presenza di sollecitazioni interne dovute a occupanti, apparecchiature ed effetto serra, il rivestimento con elevata k1 sia in grado di ritardare e attenuare il picco di temperatura sulla superficie della parete (27,5°C contro i 27,9°C dell’altro rivestimento). Nelle ore notturne il rivestimento con elevata k1 rilascia il calore accumulato nelle ore diurne verso l’ambiente interno.
Scenario 2 (9 Ottobre). All’aumentare dei carichi interni, entrambi i rivestimenti interni registrano temperature superficiali più elevate rispetto ai valori rilevati nello scenario precedente. Inoltre, il rivestimento con elevata k1 ha temperature superficiali minori sia di giorno che di notte, con una temperatura superficiale media giornaliera 1°C più bassa rispetto alla finitura leggera (fig. 8).
Il picco di temperatura superficiale registrato sui rivesti -menti interni nella fascia serale è di 28,9°C per il rivestimento con bassa k1 e di 27°C per il rivesti-mento con elevata k1. Nell’arco della giornata, inversamente allo scenario precedente, si ha una quantità superiore di flusso accumulato. Dopo le 23.00 si ha una inversione del flusso di calore con conseguente riduzione delle temperature superficiali degli strati più interni dell’involucro.
Scenario 3 (25 Dicembre). Nella stagione invernale, entrambi i rivestimenti accumulano calore dall’ambiente interno quando l’impianto di riscaldamento si accende, accompagnati da un innalzamento delle rispettive temperature superficiali e rilasciano calore quando l’impianto si spegne, con conseguente raffreddamento della superficie dello strato (fig. 9). La temperatura media superficiale maggiore è attribuibile al rivestimento con elevata k1 (21°C), più elevata di 0,5°C rispetto all’altro rivestimento.
Conclusioni
La ricerca condotta ha permesso di evidenziare il miglioramento delle condizioni di comfort termico interno utilizzando uno strato finitura massivo rispetto a un rivestimento leggero su un edificio costruito con struttura a secco e super-isolato.
In regime estivo, all’aumentare dei carichi interni, la finitura con elevata capacità termica areica in -terna risulta più efficace nel limitare il problema del surriscaldamento estivo e il beneficio è risultato nella diminuzione delle temperature superficiali fino a 2°C, con riduzione della temperatura media radiante.
In regime invernale, l’involucro ad alta massa dotato di elevata capacità termica areica interna garantisce, in modo passivo, temperature superficiali più elevate rispetto all’involucro a bassa massa, con valori costantemente superiori di circa 0,5°C, con un aumento della temperatura media radiante.
di Francesca Stazi, professore associato, Dipartimento di Scienze e Ingegneria della Materia, dell’Ambiente e dell’Urbanistica (Università Politecnica delle Marche)
Marianna Pergolini phd student, Dipartimento di Scienze e Ingegneria della Materia, dell’Ambiente e dell’Urbanistica (Università Politecnica delle Marche)
Costanzo di Perna, professore associato, Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche, (Università Politecnica delle Marche)
BIBLIOGRAFIA
[1] Direttiva Europea 2002/91/EC del 16 dicembre 2002 sulle prestazioni energetiche degli edifici.
[2] Direttiva Europea 2010/31/EU del 19 maggio 2010 sulle prestazioni energetiche degli edifici.
[3] Z. Ma, P. Cooper, D. Daly, L. Ledo, “Existing building retrofits: Methodology and state of the art”, Energy and Buildings 55 (2012) 889-902.
[4] B. Conterio, P.M. Congedo, “Edifici a consumo quasi zero per regioni calde”.
[5] F. Stazi, C. Bonfigli, E. Tomassoni, C. Di Perna, P. Munafò, “The effect of high thermal insulation on high thermal mass: is the dynamic behavior of traditional envelopes in Mediterranean climates still possibile?”, Energy and Buildings 88 (2015) 367-383.
[6] F. Stazi, E. Tomassoni, C. Di Perna, “Super-insulated wooden envelopes in Mediterrane in climate: Summer overheating, thermal comfort optimization, environmental impact on an Italian case study”, Energy and Buildings 138 (2017) 716–732.
[7] M. Rossi, V. M. Rocco, “External walls design: the role of periodic thermal transmittance and internal areal heat capacity”, Energy and Buildings 68 (2014) 732-740.
[8] Uni En Iso 13786:2008, Prestazione termica dei componenti per edilizia – Caratteristiche termiche dinamiche – Metodi di calcolo.
[9] H. Asan, Y. S. Sancaktar, “Effects of wall’s thermophysical properties ontime lag and decrement factor”, Energy and Buildings 28 (2) (1998) 159–166.
[10] C. Baglivo, P. M. Congedo, A. Fazio, “Multi-criteria optimization analysis of external walls according to ITACA protocol for zero energy buildings in the Mediterranean climate”, Building and Environment 82 (2014) 467-480.
[11] C. Baglivo, P. M. Congedo, A. Fazio, D. Laforgia, “Multi-objective optimization analysis for high efficiency external walls of zero energy buildings (Zeb) in the Mediterranean climate”, Building and Environment 84 (2014) 483-492.
[12] Decreto interministeriale 26 giugno 2015 – Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici.
[13] Decreto 11 gennaio 2017 – Adozione dei criteri ambientali minimi per gli arredi per interni, per l’edilizia e per i prodotti tessili.
[14] C. Di Perna, F. Stazi, A. Ursini Casalena, A. Stazi, Massa e comfort: necessità di una adeguata capacità termica areica interna periodica, L’industria dei Laterizi, marzo/aprile 2008, n.110.
[15] C. Di Perna, F. Stazi, A. Ursini Casalena, M. D’Orazio, “Influence of the internal inertia of the building envelope on summertime comfort in buildings with high internal heat loads”, Energy and Buildings 43 (2011) 200–206.
[16] Uni En Iso 6946:2008, Componenti ed elementi per edilizia – Resistenza termica e trasmittanza termica – Metodo di calcolo.
[17] Uni TS 11300-1:2014, Determinazione del fabbisogno di energia termica dell’edificio per la climatizzazione estiva ed invernale.
