L'isolamento
Il controllo dei flussi termici.
Lo scopo dell’isolamento.
Controllare i flussi termici, e prevenire la perdita o l’incameramento di calore all’interno di un edificio per ridurre i consumi energetici e mantenere un livello di comfort abitativo adeguato.
Le modalità di trasmissione del calore.
Dal caldo a freddo, sempre.
Il flusso termico rappresenta il movimento del calore ed ha una sola direzione, che vede la propagazione da zone calde a zone fredde.
Questo movimento è ciò che causa un calo di temperatura all’interno degli edifici in inverno, e un’innalzamento delle temperature negli edifici in estate.
La trasmissione del calore avviene per una o più delle seguenti modalità:
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propagazione per conduzione;
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propagazione per convezione;
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propagazione per irraggiamento.
I materiali isolanti sono progettati per ridurre la trasmissione del calore in queste tre modalità di propagazione.
Propagazione per conduzione.
Attraverso elementi in stato solido, liquido o gassoso.
Questa modalità di propagazione vede la trasmissione del calore attraverso uno o più elementi a contatto diretto (si ricorda che questo avviene sempre dall’elemento caldo all’elemento freddo).
La quantità di calore che si propaga in un corpo, in un dato intervallo di tempo, è direttamente proporzionale alla conduttività o conducibilità) termica del materiale stesso e al differenziale di temperatura tra i due elementi in oggetto.
Quanto più bassa è la conducibilità del materiale, quanto maggiore è il tempo di propagazione del calore, tanto più il materiale sarà un buon isolante.
Minore il valore di λ di un materiale, maggiore la sua capacità di resistere alla propagazione del calore per conduzione.
Propagazione per convezione.
Nei corpi in stato liquido e gassoso.
Questa modalità di propagazione (inesistente nei corpi in stato solido ed assente sottovuoto),avviene all’interno di gas o liquidi, quando le molecole al loro interno si surriscaldano, generando una variazione in termini di densità (i.e. quando l’aria calda diventa meno densa e tende ad andare verso l’alto, si verifica la “convezione naturale”; se invece, lo stesso risultato si ottiene con il vento o per mezzi artificiali, si verifica la “convezione forzata”).
La quantità di calore trasmessa da un corpo (liquido o gassoso) dipende dalla differenza di calore tra i due corpi, dalla velocità incidente e dall’area della superficie esposta. Una parete esposta ad un vento freddo e forte si raffredderà più velocemente di una parete esposta ad un vento freddo ma moderato.
Un materiale con una struttura a celle chiuse inibisce la convezione termica all’interno della cellula stessa. Quando la struttura cellulare è molto fine e le cellule molto piccole, si riduce ulteriormente la convezione termica e la propagazione di calore alle cellule in prossimità.
Propagazione per irraggiamento.
Anche in assenza di corpi in stato solido, liquido o gassoso.
Questa modalità di propagazione vede la trasmissione del calore, sotto forma di energia, tra due corpi attraverso lo spazio. Non richiede, ne prevede contatto diretto tra i corpi che si scambiano calore e non necessita di un tramite per propagarsi.
E’ un fenomeno che non si presenta ad ogni temperatura, ma solo a temperature abbastanza elevate, o a distanze molto ravvicinate, il suo contributo supererà quello delle altre modalità di trasmissione.
Nozioni per valutare le prestazioni di un materiale isolante.
L’efficacia di un materiale isolante si estrapola dalla sua capacità di limitare il flusso termico. Ovvero dalla sua conducibilità termica o dalla sua resistenza termica.
Conducibilità termica, o valore di λ [W/(mK)]
Serve a identificare l’attitudine di un materiale a trasmettere il calore. Ogni materiale presenta una determinata conduttività termica (o conducibilità termica). Essa viene espressa con il simbolo λ (lambda) e rappresenta una proprietà intrinseca del materiale. Dato che λ rappresenta la quantità di calore che riesce ad attraversare il materiale, più questo è piccolo, maggiore sarà la capacità isolante del materiale.
Per chiarire, riportiamo un esempio pratico. Utilizzando 15 centimetri di SUPERCEL BUILDING, che presenta un λ = 0,019 [W/(mK)], siamo in grado di ottenere un isolamento termico pari a quello ottenuto con 16 metri di cemento, che presenta un λ = 2,00 [W/(mK)], e che pertanto non è considerato un materiale isolante.
Questo esempio tiene conto del concetto di resistenza termica spiegato di seguito.
Resistenza termica R [m2K/W]
Rappresenta la capacità di un materiale a frenare il flusso di calore che lo attraversa. Essa viene ottenuta attraverso il rapporto tra lo spessore del materiale (in metri) e la sua conduttività termica λ. Ci indica, quanto un dato spessore di un materiale con una certa conducibilità termica è in grado di frenare il flusso termico.
Quanto più è grande questo valore, tanto più elevata sarà la capacità isolante del materiale. Da notare che in caso di parti edili a più strati la resistenza termica rappresenterà la sommatoria della resistenza manifestata dai singoli strati.
Trasmittanza termica U [W/m2K]
Rappresenta la caratteristica isolante della stratigrafia (i.e. insieme di elementi) e ne esprime la capacità di dispersione. Serve dunque a definire le prestazioni termico-isolanti dell’intero involucro edilizio.
Il valore di trasmittanza termica è dato dall’inverso della resistenza termica, più è piccolo, minori saranno le dispersioni e maggiore l'efficacia isolante del materiale.
I valori esplicativi della capacità isolante.
La conducibilità termica λ è una grandezza che caratterizza solo materiali omogenei. Viene utilizzati infatti nelle schede tecniche per indicare le prestazioni dei singoli materiali isolanti.
La resistenza termica R, invece, indica la capacità di opporsi al flusso termico da parte di uno (i.e. singolo materiale isolante) o più materiali (i.e. la parete/stratigrafia).
La trasmittanza termica U è una grandezza che può essere applicata a materiali eterogenei, poiché viene calcolata a partire dalle varie R presenti nella stratigrafia in analisi. in questo modo, permette di valutare la capacità isolante di un insieme di elementi (i.e. la parete).
La fase di progettazione per opere di riqualificazione energetica.
Con i valori dichiarati dal produttore all’interno della Dichiarazione di Prestazione è possibile per il professionista incaricato con la stesura del progetto di rispondere alle specifiche esigenze del caso. L’obiettivo ultimo è quello di identificare i materiali più idonei e gli spessori necessari per rientrare nei limiti di legge, definendo così la stratigrafia nel suo complesso.
Facendo un esempio, partendo dalla conducibilità termica dichiarata (λD) è possibile correggerla in base alle condizioni di impiego ed alle caratteristiche climatiche della zona climatica di interesse in modo da ottenere la conducibilità termica di progetto (λP).
“Se fuori la temperatura massima è di 35° C ed è percepita tale alle ore 14.00, di quanto viene smorzata la temperatura attraverso la stratigrafia? E dopo quanto tempo percepisco questa nuova temperatura massima (attenuata) all’interno dell’edificio?"
La fase di progettazione e la climatizzazione estiva, una nota a parte.
L’inerzia e la capacità termica, opporsi alle variazioni di temperature, garantendo un ritardo temporale ed un attenuazione.
Al fine di determinare e limitare i fabbisogni energetici per la climatizzazione estiva, è bene analizzare la capacità di una parete di ostacolare l’onda termica, quando esposta al sole e alle elevate temperature. I parametri che permettono di eseguire questa analisi sono:
Lo sfasamento dell’onda termica (s), anche noto come ritardo termico, viene misurato in ore ed è il risultato di tempo tra il momento in cui la superficie esterna e la superficie interna dell’edificio raggiungono la rispettiva temperatura massima. Ovvero, il tempo impiegato dall’onda termica ad attraversare il materiale.
L’attenuazione dell’onda termica (σ), rappresenta di quanto viene ridotta l’ampiezza dell’onda termica nel suo passaggio attraverso una data stratigrafia e può essere interpretata come il rapporto tra l’ampiezza dell’onda termica esterna e interna.
La trasmittanza periodica (Yie), è la capacità di una stratigrafia di attenuare e sfasare nel tempo il flusso termico proveniente dall’esterno nell’arco delle 24h. Rappresenta la fusione dei due concetti precedenti, ed è il risultato del prodotto tra la trasmittanza termica (U) e il fattore di attenuazione (fa).
Il fattore di attenuazione (fa) è rappresentativo del fenomeno di inerzia termica, ovvero della capacità di un materiale o di una struttura di variare più o meno lentamente la propria temperatura come risposta a variazioni di temperatura esterna. Risulta chiaro che più (fa) è piccolo, maggiore sarà l’attenuazione, migliore l’isolamento.
