Inerzia termica negli edifici
L'inerzia termica delle murature
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Come illustrato nella sezione dedicata alla simulazione energetica sugli edifici, è riscontrabile una considerevole difformità tra i risultati dei calcoli della prestazione energetica degli edifici effettuati con le semplificazioni adottate nel regime Stazionario e quelli ottenuti applicando il calcolo in regime Dinamico.
Il comportamento reale delle strutture di un edificio dipende fortemente dalle variazioni delle condizioni al contorno (condizioni ambientali esterne e condizioni interne all'edificio) e la loro valutazione, collegata ai fenomeni di scambio termico, deve essere operata con metodi complessi.
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In prima approssimazione, considerando una variazione periodica regolare con 24 ore di ciclo delle principali condizioni al contorno (ad esempio la temperatura dell'aria esterna, l'umidità relativa ed i valori di radiazione solare), il flusso di trasferimento di calore può essere visualizzato come nel grafico riportato a lato, nel quale:
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la linea verde rappresenta il flusso di calore attraverso una parete in mattoni (massiva),
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la linea rossa il flusso di calore attraverso una parete ipotetica, con lo stesso valore di trasmittanza (U) dell'altro, ma senza alcuna capacità termica, ossia a peso nullo.
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Muratura in Poroton - Laterizio alveolato con Spessore di 30 cm più intonaco
Muratura in Calcestruzzo generico per pareti esterne con Spessore di 30 cm
Muratura leggera con isolante lana di roccia e lastre di cartongesso con Spessore di 20 cm
La capacità di accumulare calore (capacità termica) della parete reale in muratura (linea verde) influisce sulle temperature interne superficiali della stessa in due modi:
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Producendo un ritardo di alcune ore nell'arrivo del picco di temperatura all'interno
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Riducendo la temperatura massima che si manifesterà all'interno.
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Grazie alla capacità termica della muratura, solo una parte del calore assorbito dalla muratura viene ceduto all'interno dell'edificio, mentre una parte, la cui quantità dipende dalle caratteristiche dei materiali di cui la parete è composta, rimane all'interno della parete e viene dissipato nuovamente verso l'esterno quando le condizioni lo permettono.
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Se invece le stesse pareti fossero considerate con condizioni al contorno costanti (valutazione in regime stazionario) i due flussi termici risulterebbero avere schematizzazioni identiche, in quanto, come detto in precedenza, questo metodo di calcolo non considera l'accumulo termico nelle pareti.
È un dato di fatto che quest'ultimo approccio (calcolo in regime Stazionario) è riduttivo, anche se, ad oggi, è quello principalmente diffuso nelle comuni pratiche di progettazione.
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Nella pratica professionale, purtroppo, la simulazione in regime dinamico trova ancora scarsa applicazione, in quanto non richiesta dagli attuali strumenti normativi.
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Altre cause di resistenza sono indubbiamente la necessaria specializzazione superiore ed i tempi necessari per la gestione degli strumenti adeguati (i softwares per questo tipo di simulazioni presentano una elevata complessità e non consentono tempi brevi di elaborazione).
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Esempi:
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Qui sotto sono riportati alcuni casi di pareti con differente massa, si evidenzia l'effetto di Sfasamento dell'onda termica, ossia il ritardo con cui il calore esterno arriva all'interno dell'edificio.
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In caso di muratura leggera (qui pannello in cartongesso ed isolante) la parete si scalda in sole 4 ore e mezza, tempo necessario al calore per arrivare all'interno e riscaldare l'ambiente interno. Come detto in precedenza, una struttura di questo tipo è predisposta a riscaldarsi in breve tempo, quindi è adatta alla captazione del calore, ossia è adatta ai climi freddi ma soleggiati ( es. alta montagna).
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Le murature con maggior massa (qui Calcestruzzo o Poroton da 30 cm) necessitano di un maggior riscaldamento prima di riscaldarsi all'interno, perchè strutture più pesanti (massive). Sono quindi più adatte ai climi caldi o temperati, in quanto la massa crea una barriera al surriscaldamento estivo, anche se in inverno necessita di molta energia per mantenere caldo l'ambiente interno.
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Da osservare l'effetto di schiacciamento dell'onda termica (Attenuazione) dovuto anch'esso all'accumulo di calore all'interno della muratura, calore che in parte entra all'interno ed in parte viene dissipato verso l'esterno quando la temperature esterne diventano inferiori a quella della parete.
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N.B.:
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L'Attenuazione è tanto maggiore quanto più la parete è pesante (di maggior massa).
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Conclusioni:
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Sfasamento ed Attenuazione sono gli effetti misurabili della massa muraria sul passaggio del calore tra ambiente interno ed esterno di un edificio.
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Questi due valori danno la misura dell'INERZIA termica di una muratura, definendone il comportamento quando sottoposta a riscaldamento o raffrescamento.
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Si dice che una muratura ha un comportamento altamente inerziale quando questa presenta valori elevati di Sfasamento e Attenuazione, o, più semplicemente, quando presenta un'elevato "peso" o massa.
Un'elevata massa muraria comporta la necessità di fornire molta energia per riscaldarla, ma impiega molto tempo a raffreddarsi.
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Questa caratteristica è particolarmente utile per mantenere costanti la condizioni climatiche interne e garantire comfort abitativo agli occupanti.
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Nel quadro di vari progetti di ricerca riguardanti le prestazioni termiche degli edifici, sviluppati ormai da molte università sia italiane che straniere, sono state effettuate una serie di simulazioni dinamiche del comportamento energetico degli edifici.
Gli effetti delle variazioni delle condizioni di Temperatura ed Umidità Relativa su involucri leggeri, medi e pesanti, aventi gli stessi valori di Trasmittanza (U), sono stati valutati in riferimento a diverse tipologie costruttive, orientamenti, in vari contesti climatici.
Il risultato principale ottenuto è che la capacità termica ha manifestato il suo contributo decisivo per il risparmio energetico, sia in condizioni estive che invernali.
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Con la denominazione di "inerzia termica" si indica:
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la capacità di stoccaggio termico di una struttura o di un materiale da costruzione e il suo potenziale di ritardare la trasmissione del calore (vedi Sfasamento).
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la capacità di ridurre i picchi di calore (vedi Attenuazione) trasmesso da una struttura che separa due ambienti (interno/esterno).
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Per le tipiche tecnologie costruttive europee, l'inerzia termica, fisicamente definita dal valore di capacità termica (direttamente proporzionale al calore specifico e la densità dei materiali) è comunemente associata alle strutture "pesanti", generalmente denominate anche "massive".
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Il maggior tempo di risposta nel trasferimento di calore di un edificio con elevata inerzia termica (massivo) in confronto a quello di una struttura "leggera", e quindi a scarsa inerzia termica, rivela due orientamenti:
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La diminuzione delle oscillazioni di temperatura interna (delle pareti perimetrali) rispetto a quella esterna (dell'ambiente esterno), ossia genera livelli più elevati di comfort durante tutte le 24 ore mantenendo più stabili Temperatura e Umidità Relativa interne.
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La diminuzione della quantità di flusso di calore che attraversa le pareti quindi minor raffreddamento nella stagione invernale e minor surriscaldamento in quella estiva, con conseguente riduzione del consumo di energia per il riscaldamento/raffrescamento.
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Nel prosieguo si cercherà di esaminare brevemente il modo in cui questi risultati di grande importanza vengono considerati nella progettazione, quando questa segue i dettami delle attuali normative regionali e nazionali.
Valori delle temperature interne di una parete teorica ed una reale al variare della temperatura esterna.
