Diffusione del calore nelle murature
Il calore si diffonde nelle murature da un punto più caldo verso quello più freddo, allo stesso modi in cui l'acqua si muove da un punto più in alto verso il basso.
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La trasmissione del calore (ossia del Flusso Termico) avviene però con tre modalità differenti, che molto spesso sono concomitanti.
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Conduzione: avviene tra corpi a contatto tra loro (solidi, liquidi o gassosi) oppure all'interno di uno stesso corpo tra zone più calde e zone più fredde. Dipende dallo stato di agitazione delle molecole che scambiano il moto tra loro, da quelle più agitate (a temperatura maggiore) a quelle meno agitate (a temperatura inferiore).
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Convezione: avviene tra un corpo solido ed un fluido (liquido o gassoso), sempre tra zone calde e zone più fredde. In questo tipo di scambio termico è il fluido che lambisce il corpo solido riscaldandosi o raffrescandosi. In conseguenza del riscaldamento il fluido sale verso l'alto (vedi aria calda che lambisce una stufa o un radiatore) oppure, se si raffredda, scende verso il basso (vedi l'aria che lambisce un vetro freddo e che si sente scorrere verso il basso se si avvicina la mano al vetro).
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Irraggiamento: avviene tra un corpo a superficie più calda verso altri a superficie più fredda. Il trasporto del calore avviene mediante radiazione elettromagnetica a varie frequenze dipendenti dalla temperatura del corpo che emette, sempre dal corpo più caldo verso quello più freddo. È un fenomeno che si presenta ad ogni temperatura ed interessa ogni materiale, non importa se solido, liquido o gassoso. Un esempio di irraggiamento è il Sole che riscalda tutti i corpi che i raggi riescono a raggiungere.
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Scambio termico per Conduzione
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Riprendendo quanto già detto sopra, possiamo specificare che la conduzione è il processo di trasmissione del calore da una regione a temperatura maggiore verso un’altra a temperatura minore, che avviene senza movimento macroscopico di materia e che si realizza in un mezzo solido, liquido o gassoso.
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In pratica dunque il calore si diffonde per contatto tra le molecole di uno stesso materiale o di materiali diversi in contatto tra loro. E' questa la modalità di diffusione del calore che consente ad una mano di riscaldarsi quando la si appoggia ad un calorifero o ad una stufa.
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Questa è esattamente la stessa tipologia di diffusione termica che si instaura tra gli strati di materiale che costituiscono un elemento dell'involucro edilizio (tetti, pareti perimetrali, pavimenti controterra o verso locali accessori ecc.) quando questo viene riscaldato dal sole o viene raffreddato da una corrente d'aria invernale sul lato esterno.
Sul lato interno la temperatura viene mantenuta, invece, quanto più possibile costante ( 20°C in inverno e 26°in estate).
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Ma quali sono i fattori in gioco che condizionano il passaggio di calore in una muratura?
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In primo luogo si deve considerare la CONDUTTIVITA', una proprietà specifica di ciascun materiale che ne determina la propensione o meno a "far passare" il calore al proprio interno.
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Questa parametro si esprime in [W/mK] ossia flusso termico per metro lineare di materiale calcolato con differenza di un grado di temperatura.
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Dallo studio di questa proprietà si possono definire come ISOLANTI i materiali che presentano i valori parametrici inferiori e CONDUTTORI termici quelli con i valori maggiori.
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Alcuni valori possono dare un'idea della differenza esistente tra materiali comuni in edilizia:
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Alluminio 200 W/mK
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Malta di calce/cemento 1.4 W/mK
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Mattone pieno 0.7 W/mK
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Vetro 0.8 W/mK
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Legno di conifere 0.13 W/mK
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Lana di vetro 0.04 W/mK
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NOTA: Altri materiali con i relativi valori si possono trovare riportati in vari siti, bibliografia di settore, schede tecniche dei materiali fornite dalle aziende produttrici ecc. e sono stati pubblicati mediante la norma UNI 10351 relativa alle proprietà termoigrometriche dei materiali e dei prodotti per l’edilizia.
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In edilizia:
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La differenza tra la conducibilità del'alluminio (usato per i telai dei serramenti) e quella della lana di vetro (isolante impiegato in prevalenza nelle murature, sulle coperture, nei sottotetti) può dare un'idea di quanto un materiale possa favorire o meno il passaggio del calore, rendendo più oneroso e difficoltoso il compito degli impianti di riscaldamento e raffrescamento..!
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Il passaggio del calore (Flusso termico) è influenzato anche da altri parametri di cui si tiene conto nel calcolo delle dispersioni degli edifici, che si illustreranno brevemente, rimandando a fonti più autorevoli, ma che sono:
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La differenza di temperatura tra ambiente esterno ed interno:
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Maggiore è la differenza di temperature tra interno ed esterno e maggiore sarà il flusso di calore nelle murature.
Infatti, come detto in precedenza, il flusso termico si comporta come l'acqua che da un livello più alto scorre verso il livello più basso, maggiore è la differenza di altezza del dislivello (...temperatura nel nostro caso...) e maggiore sarà la velocità che l'acqua acquista (...quantità di calore nel nostro caso...).
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In termini matematici si dice, infatti, che lo scambio di calore per conduzione è un gradiente della temperatura, ossia aumenta o diminuisce in funzione di quest'ultima.
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Lo spessore degli strati di materiale:
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Una muratura è composta nella maggior parte dei casi da vari strati al suo interno, nei casi più semplici intonaco esterno - mattoni - intonaco interno, ciascuno dei quali ha una propria conducibilità termica ed un proprio spessore, che concorrono ad aumentarne o diminuirne gli effetti sulla trasmissione termica complessiva.
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Ad esempio un materiale isolante come la lana di vetro abbassa sensibilmente le dispersioni termiche di un elemento di involucro quando viene inserito in spessori notevoli (dai 12 cm in su...), mentre per spessori inferiori l'effetto isolante è modesto.
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L'area di scambio termico:
Nella valutazione degli scambi termici è d'obbligo (da normaitva) porre grande attenzione al calcolo delle superfici d'involucro, ossia le superfici esterne ed interne degli elementi dell'involucro edilizio. Maggiore, infatti, sarà l'area esposta all'esterno e maggiore sarà la dispersione dell'edificio attraverso queste strutture.
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Nella progettazione moderna infatti si sta gradualmente tornando ad edifici compatti, che non si distaccano di molto dal parallelepipedo (sei facce), che tra i solidi è quello che a parità di volume interno espone la minor superficie all'esterno, consentendo fin dal principio di moderare le dispersioni.
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La presenza di umidità nei materiali:
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L'umidità nei materiali è causa di degrado e perdita parziale delle proprietà isolanti, ciò è contemplato nella sopracitata norma UNI 10351, la quale fornisce dei valori di calcolo di conduttività peggiorati rispetto alle prove di laboratorio effettuate sui materiali asciutti.
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Si cerca così di contemplare, almeno in parte, la perdita di prestazione dovuta a condizioni di utilizzo in opera differenti rispetto alle condizioni standard di laboratorio alle quali vengono eseguiti i test (da norme UNI 7745 e UNI 7891), differenze dovute non solo al reale contenuto di umidità dei materiali, ma anche all'invecchiamento, al costipamento dei materiali sfusi, alla manipolazione ed alla installazione (che si considera realizzata a regola d'arte).
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Gli effetti reali si valutano con appositi softwares (es.WUFI) o si devono misurare in loco, e si ritengono molto più importanti di quanto stimato dalle norme sopracitate. Infatti una muratura può contenere anche grandi quantità di umidità, compromettendo ampiamente la sua capacità di resistere al passaggio di calore.
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Per meglio comprendere questo fenomeno può essere utile immaginare una muratura che racchiude un ambiente riscaldato come un cappotto che copre un uomo. Se il cappotto viene inzuppato d'acqua perde quasi totalmente il suo potere isolante, causando raffreddamento incontrollato del corpo che dovrebbe riparare.
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Trasmissione di calore per CONDUZIONE
Scambio per Conduzione tra mano dell'operatore e radiatore
A3r
Architettura
Scambio termico per Convezione
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La Convezione è quella modalità di trasmissione del calore che avviene attraverso il trasporto di energia, in presenza di movimento macroscopico di particelle di fluido.
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Generalmente la convezione avviene tra un solido ed un fluido che lo lambisce, ma possono esistere anche casi di convezione tra due fluidi, entrambi liquidi o tra liquido e gas.
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Lo scambio convettivo tra solido e liquido è il caso più comune di trasmissione del calore nella pratica edilizia quotidiana, ne è un esempio l'aria che lambisce la superficie di un calorifero o di una stufa e che circola nella stanza riscaldandola.
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Si distinguono due principali tipologie di scambio convettivo:
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Circolazione naturale
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E' il caso del calorifero o della stufa di casa, attorno ai quali l'aria si riscalda e si sposta verso l'alto, per poi circolare all'interno dell'ambiente trasferendo il calore alle superfici più fredde ed a persone ed oggetti (nel modo indicato nell'immagine).
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In questo caso il movimento del fluido (aria nell'esempio) avviene per la differenza di densità che si ingenera in alcune regioni di quest'ultimo, dovuto al riscaldamento di quelle molecole che lambiscono la superficie calda, le quali, diventate più leggere (meno dense), si muovono verso l'alto.
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Circolazione forzata
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E' il caso di molte applicazioni tecnologiche, delle quali probabilmente la più comune è quella dei ventilconvettori, nei quali un ventilatore assiale spinge l'aria attraverso uno scambiatore (molto simile ad un radiatore di un'auto) in cui circola acqua riscaldata dalla caldaia e l'aria ne esce riscaldata.
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In questo caso avviene lo stesso riscaldamento molecolare di cui al caso precedente, con la differenza che il moto viene generato ed aumentato da un mezzo esterno (il ventilatore, nell'esempio), con l'effetto di aumentare la velocità dello scambio e quindi la quantità di calore che viene ceduta all'aria nello stesso tempo, rendendo più brevi i tempi di riscaldamento (o raffrescamento) dell'ambiente.
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Si vedranno nelle sezioni dedicate alle Tecnologie gli effetti del funzionamento di elementi a convezione naturale (radiatori) e dei più comuni sistemi a circolazione forzata (ventilconvettori e ventilazione meccanica controllata).
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Scambio termico convettivo tra aria riscaldata in salita e mano dell'operatore
Trasmissione di calore per CONVEZIONE
Scambio termico per Irraggiamento
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A livello generale bisogna tenere presente che la diffusione di calore per radiazione è la principale fonte di benessere o malessere all'interno dell'ambiente.
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La valutazione del calore radiante deve quindi essere tenuta in grande considerazione sia in fase di progettazione (di nuove costruzioni o di riqualificazione dell'esistente) che quando ci si approccia alla valutazione di modifiche a strutture o impianti.
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Principio fisico:
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Il calore viene scambiato per Irraggiamento mediante emissione o assorbimento di radiazione elettromagnetica.
La radiazione si propaga a 360° intorno alla fonte di emissione (allo stesso modo della luce del Sole o di una lampadina).
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L'irraggiamento è la modalità di trasmissione del calore che si realizza per propagazione di onde elettromagnetiche nel vuoto o attraverso sostanze ad esse trasparenti .
Non richiede la presenza di un mezzo, ossia non è necessaria la presenza di un fluido (ad esempio aria o acqua) o di un solido perché si propaghi, la radiazione elettromagnetica, infatti, si diffonde perfettamente nel vuoto, ne è un esempio la radiazione proveniente dal Sole che arriva sulla Terra.
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Radiazione solare:
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Il Sole emette onde di varia lunghezza che si propagano nel vuoto, ma quando passano attraverso delle soatanze (es. Aria dell'atmosfera terrestre) alcune possono essere schermate.
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Le sostanze (o i materiali) che consentono il passaggio delle radiazioni si dicono "trasparenti alla radiazione".
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Un esempio di sostanza non trasparente al passaggio di alcune delle frequenze della radiazione solare è il gas Ozono presente nell'atmosfera terreste.
Quest'ultimo non permette il passaggio di alcune delle onde provenienti dal Sole (quelle ad alta frequenza, Ultraviolette - U.V.), consentendo la vita sul pianeta.
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Concetto fondamentale:
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E' necessario sapere che tutti i corpi a temperatura maggiore del cosiddetto Zero Assoluto (-273,15°C) emettono radiazioni ed irraggiano i corpi circostanti in misura proporzionale alla loro temperatura.
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Il corpo a temperatura maggiore emette radiazioni elettromagnetiche che vengono assorbite dal corpo più freddo. Quanto appena descritto avviene ad ogni temperatura ed interessa ogni aggregato materiale, solido, liquido o gassoso ed ha implicazioni molto maggiori di quanto si possa credere.
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In Edilizia:
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Una muratura tradizionale, in pietra o mattoni, d'inverno rilascia molto calore verso l'esterno e sul lato interno si mantiene fredda (normalmente dai 8/10° ai 15/17°).
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Questa differenza di temperatura funziona in pratica come un "richiamo" (o gradiente termico) per la radiazione che emettono gli abitanti all'interno dell'ambiente (la T° corporea è di circa 36°C), i quali si raffreddano molto in prossimità delle strutture che danno verso l'esterno (ad es. muri perimetrali o il pavimento).
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La sensazione di freddo ai piedi, alle mani, alla testa, che è molto frequente negli edifici tradizionali (o, più in generale, negli edifici non isolati), è dovuta in larghissima parte alla perdita/dissipamento di calore per radiazione, che subiamo verso le strutture fredde.
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Se le strutture murarie invece sono debitamente isolate, anche l'effetto radiante verso l'esterno si riduce, quindi la muratura rimane più calda, richiama meno radiazione dagli abitanti e la sensazione di comfort aumenta.
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Quanto esposto fin qui è molto importante in ambiti quali:
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lo studio del comportamento energetico degli edifici (ad es. progettazione con L10/91, Certificazione energetica, Simulazioni Energetiche varie),
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la valutazione degli isolamenti delle strutture di involucro (basamenti, pareti esterne e coperture),
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il dimensionamento dei più moderni sistemi impiantistici a pannelli radianti ( a pavimento, a parete o a soffitto),
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il calcolo della propagazione del calore attraverso serramenti ed oscuranti.
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Maggiori approfondimenti su questi specifici temi saranno forniti nelle sezioni dedicate.
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Trasmissione di calore per IRRAGGIAMENTO
Scambio termico per irraggiamento tra operatore e radiatore