Comportamento termico delle murature
E' opportuno, dedicare un approfondimento all'isolamento delle murature, ossia l'utilizzo di strati ad alta resistenza termica nelle strutture edilizie, al fine di ridurre il passaggio di calore attraverso l'involucro edilizio.
Partendo dalla considerazione generale che "isolare" significa prevalentemente esercitare un controllo sul flusso di calore che attraversa le superfici, si può dire che
questo obiettivo viene perseguito attraverso tre principali meccanismi:
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isolamento per riflessione
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isolamento resistivo
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isolamento capacitivo
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Nei seguenti paragrafi si passano in rassegna queste tre macrocategorie esaminando per ciascuna alcuni esempi di materiali isolanti. Lo scopo è quello di comprenderne le principali caratteristiche di funzionamento e le logiche che ne determinano l'impiego in edilizia.
Isolamento per riflessione
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Nella pratica edilizia l'isolamento per riflessione è ancora oggi poco diffuso, ma risulta di grande importanza laddove la trasmissione del calore avviene principalmente tramite emissione di energia radiante, come nel caso di intercapedini e sottotetti o in presenza di impianti a pannelli radianti (a pavimento, a parete o a soffitto).
In questo meccanismo di scambio termico risulta determinante, ai fini dello studio del passaggio di energia termica, la conoscenza di due parametri caratteristici delle superfici scambianti:
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l'emittanza, ossia la capacità di emettere energia della superficie più calda (da ricordare che il calore fluisce naturalmente da un corpo caldo a quello più freddo, come stabilisce il secondo principio della termodinamica), e
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l'assorbanza, ossia la capacità di ricevere energia della superficie più fredda.
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Per isolare dall'irraggiamento si possono utilizzare dei semplici fogli di alluminio che fungono da schermo ad una vasta gamma di radiazioni emesse da corpi o da fonti di calore di vario tipo (es.sistemi di riscaldamento o irraggiamento solare).
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Bisogna però tenere presente che questa tecnologia risulta molto più efficacie se il foglio isolante è collocato a distanza dalle superfici emittenti in quanto, se venisse messo in diretto contatto, lo scambio termico avverrebbe comunque per conduzione, invalidando di fatto l'effetto della riflessione.
Nella pratica edilizia per realizzare un isolamento per riflessione ovviando a questi problemi si utilizzano oggi fogli di alluminio lucidi multistrato, intervallati da spessori di isolante (polipropilene e/o bolle d'aria tipo pluriball), che annullano gli effetti negativi della conduzione e dei moti d'aria calda (convezione) che riscalderebbero i fogli di alluminio invalidandone in buona parte il potere isolante.
Gli strati di alluminio, infatti, possiedono sia una bassa assorbanza che una bassa emittanza (assorbono poca radiazione termica riflettendone la maggior parte), costituendo quindi una ottima barriera contro il passaggio del calore radiante.
L'applicazione di strati di isolamento riflettente è dunque molto efficacie e, se la posa è correttamente eseguita, consente di raggiungere buone prestazioni con spessori ridotti di isolamento.
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Concetto importante:
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Non bisogna dimenticare che lo strato isolante possiede una massa molto ridotta e che quindi non consente alcun accumulo di calore al suo interno.
Ciò significa che quando si riscalda il suo potere isolante si riduce, ossia una buona parte del calore fluisce comunque all'interno o all'esterno.
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Nella progettazione alle nostre latitudini bisogna, infatti, tenere sempre presente gli aspetti capacitivi (ossia la capacità della muratura di accumulare calore).
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Solo una massa muraria adeguata, infatti, fornisce la capacità di accumulo termico necessaria al contenimento delle dispersioni nelle fasi (più calde o più fredde) della giornata.
Fogli riflettenti multistrato di alluminio
Fogli multistrato di alluminio applicati all'interno
Fogli multistrato di alluminio applicati all'interno correttamente distaccati dalle superfici verso interno e verso esterno
Isolanti resistivi comuni
Isolamento resistivo
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Tra tutti i materiali più comuni, l'aria è quello che possiede la minor conduttività termica (0,026 W/mK). L'isolamento resistivo sfrutta a proprio vantaggio questa caratteristica dell'aria.
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Tutto ciò a patto che non si inneschino moti convettivi nella massa d'aria, i quali, di fatto, sono i principali responsabili del trasferimento di energia (calore) da superfici più calde a quelle più fredde quando sono separate da intercapedini.
Per raggiungere l'annullamento del naturale movimento convettivo, si utilizzano materiali di varia natura che servono da contenitori di un grande numero di piccole masse d'aria non comunicanti tra loro e, di conseguenza, quanto più possibile ferme.
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Categorie di materiali isolanti:
I materiali isolanti compatti sono dunque, generalmente, di due tipi:
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La prima categoria include gli isolanti a struttura schiumosa, fatta di minuscole celle chiuse separate da sottili membrane o da bolle.
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La seconda tipologia, invece, include i materiali fibrosi, nei quali, parimenti a quanto avviene in quelli schiumosi, l'aria è intrappolata in piccole porzioni separate tra loro.
Della prima categoria fanno parte i materiali come le schiume di plastica espansa o estrusa, come il polistirene o il poliuretano.
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Appartengono alla seconda categoria materiali fibrosi in forma di lastre, quali lana minerale, fibre di vetro, lana di legno truciolato, (legato da cemento o da resine), lastre di fibra di lana animale e diversi altri tipi di calcestruzzi o malte isolanti (che utilizzano componenti leggere o vengono aerati in autoclave).
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Tutti questi materiali trovano larga applicazione in edilizia e si rivelano necessari per il raggiungimento degli standard attuali di controllo del fabbisogno energetico degli edifici, ciò nonostante il loro impiego deve essere ben calibrato da una progettazione consapevole ed attenta, onde evitare problematiche di varia natura legate a:
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passaggio del calore attraverso ponti termici non risolti correttamente oppure
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situazioni di degrado innescate dall'accumulo di vapore acqueo nelle murature o negli ambienti interni.
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Per evitare queste problematiche esistono vari tipi softwares che aiutano i progettisti, ma il loro corretto utilizzo e la corretta simulazione delle ipotesi di progetto, al pari dell'interpretazione dei risultati, non è affatto banale e richiede competenze molto specifiche (vedere Simulazione Dinamica).
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Installazioni:
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La posa in opera di questi isolanti non è particolarmente complessa e viene effettuata, di norma, da squadre di muratori specializzati.
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Le diverse tecniche progettuali si relazionano al materiale isolante impiegato, a seconda che questo sia messo all'interno, in intercapedine o all'esterno della struttura muraria.
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Ciascun tipo di installazione presenta pregi e lacune, di cui si propone un breve esame:
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Isolamento Esterno a "CAPPOTTO":
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E' quella che fornisce le migliori performance energetiche dell'edificio.
I materiali impiegati devono essere idrorepellenti, in quanto esposti all'umidità atmosferica, generalmente a struttura schiumosa (vedi sopra).
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I pannelli isolanti vengono applicati all'esterno della muratura, riducendo drasticamente i ponti termici dovuti alle partizioni orizzontali.
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Consente risparmi energetici che arrivano all'80%, rispetto alla situazione precedente.
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Mantiene massa muraria all'interno dell'isolante, il che aiuta a mentenere costanti le condizioni climatiche interne.
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N.B.
Molta attenzione va posta al nodo dei serramenti, infatti, se non correttamente eseguito, rischia di limitare in parte gli effetti positivi dell'impianto.
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Isolamento Interno a "CAPPOTTO INTERNO":
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Fornisce ottime performance invernali all'edificio, ma in estate richiede il costante apporto di un sistema di raffrescamento.
I materiali impiegati generalmente sono fibrosi, siccome non risultano esposti agli agenti atmosferici.
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I pannelli isolanti vengono applicati all'interno della muratura, riducendo drasticamente i costi dell'installazione. L'intonaco interno è costituito, generalmente, da pannelli in cartongesso installati a protezione dell'isolante.
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Consente risparmi energetici notevoli solo in regime invernale.
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Mantiene massa muraria all'esterno dell'isolante, il che conferisce una maggior variabilità delle condizioni climatiche interne. Ciò consente di riscaldare e raffrescare l'edifico più velocemente che nel caso precedente, ma con il difetto, alle nostre latitudini, di richiedere costante deumidificazione e raffrescamento in estate.
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Può eliminare solo alcuni dei ponti termici dovuti ai solai, e bisogna considerare attentamente quelli dei serramenti, per non vanificare gli effetti positivi dell'installazione.
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Isolamento in INTERCAPEDINE:
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In questo caso si ha uno strato termoisolante inserito in un intercapedine tra due muri.
Questo permette di usare anche materiali termoisolanti non propriamente idonei all’ambiente esterno in quanto protetti dal muro, quali lana di roccia o di vetro, granulato di perlite, vermiculite, sughero, fiocchi di cellulosa ecc.
L’ importante è che i materiali possano asciugarsi nel caso in cui dovessero assorbire umidità.
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I materiali isolanti possono essere di vario genere, come detto, il che può consentire l'impiego di materiali naturali.
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Consente risparmi energetici modesti, paragonato agli altri due sistemi.
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Mantiene parte della massa muraria all'interno dell'isolante, il che consente una buona inerzia termica, anche se non paragonabile ai valori che si ottengono con il cappotto esterno.
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Non elimina i ponti termici dovuti ai solai, se oggetto di progettazione può eliminare quelli interni, se esistente va necessariamente integrato con altro isolamento (Cappotto interno o esterno).
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A3r
Architettura
Schema di isolamento nell'intercapedine
Schema di isolamento a cappotto interno
Schema di isolamento a cappotto esterno
Murature massive
Isolamento capacitivo, sfasamento ed attenuazione
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L'isolamento detto "capacitivo" si basa sulla proprietà dei materiali di accumulare calore al loro interno durante i periodi di riscaldamento, rilasciandolo più o meno velocemente nei periodi di raffreddamento.
In relazione alla massa ed alla densità, ciascun materiale ha una propria capacità di accumulare e trattenere calore al suo interno, ed inoltre, ha un proprio, peculiare comportamento in fase di rilascio.
L'impiego di materiali ad alta capacità termica negli edifici ha una grande influenza non solo sulla quantità (intensità) di calore che gli elementi (murature, solai, coperture ecc.) trasmettono, ma anche sullo sviluppo nel tempo della trasmissione.
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In precedenza, riguardo all'isolamento per riflessione e resistivo, si è visto che la reazione dei materiali ai cambiamenti di temperatura è istantanea o discretamente veloce, il che significa che ad un apporto di calore su di una superficie, corrisponde un flusso in uscita dal lato opposto dell'isolante con una differente intensità, ossia "controllato".
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Ciò non avviene, invece, nell'ambito dell'isolamento capacitivo. Nello studio del comportamento dei materiali dal punto di vista della capacità termica, non si può valutare una risposta istantanea, ma si deve necessariamente esaminarne il comportamento nel tempo.
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In condizioni di variabilità casuale delle condizioni climatiche il calcolo del relativo flusso di calore attraverso elementi edilizi sarebbe estremamente complesso, ma, fortunatamente, le condizioni ambientali variano in maniera ciclica, generando un flusso di calore periodico ripetitivo nelle 24 ore, che risulta più semplice da studiare.
Dall'analisi delle temperature sul lato interno di una muratura pesante (o massiva), calcolate per un periodo di 24 ore e paragonate a quelle calcolate di una parete a struttura "leggera", entrambe con lo stesso valore di trasmittanza, si possono evidenziare due principali effetti dovuti alla capacità termica.
Rappresentando su di un grafico le tre curve, una (colore rosso) che rappresenta la temperatura esterna realmente misurata della parete sottoposta a riscaldamento, e le altre relative alla temp. calcolata nelle ipotesi di parete "leggera" (colore verde) e parete massiva (colore giallo), si nota in primo luogo che la prima presenta un "ritardo" rispetto a quella a massa nulla.
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Questo ritardo del picco di temperatura della muratura reale è denominato SFASAMENTO ed è misurato in ore.
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Il secondo effetto che si nota è un "abbassamento" della curva reale, ossia una riduzione dell'altezza del picco giornaliero di temperatura raggiunta sul lato opposto a quello riscaldato (quello interno all'edificio).
Tale abbassamento è sintomatico del fatto che la massa muraria ha trattenuto al proprio interno una parte del calore assorbito e non lo ha trasmesso al'interno, come invece ha fatto nella situazione ipotetica di massa nulla.
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Questo secondo effetto osservato prende il nome di ATTENUAZIONE ed è misurato in gradi centigradi (o Kelvin), in quanto altro non è che la rilevazione della temperatura effettuata sul lato opposto a quello riscaldato.
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Lo studio di queste due proprietà è relativamente complesso, in particolare se si intende valutare a priori le grandezze, in fase di progettazione, e richiede l'utilizzo di specifici softwares e di tecnici specializzati per le impostazioni dei calcoli.
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Ciò nonostante, la valutazione di questi due parametri risulta essere di fondamentale importanza per la comprensione del reale comportamento degli elementi edilizi da impiegare o, se ci si approccia all'esistente, già presenti in un fabbricato.
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In particolare risulta di grande utilità la simulazione del comportamento delle componenti edilizie sia durante la stagione invernale che durante quella estiva, ma, ancora di più, la simulazione delle variazioni da apportare sia in termini di inserimento o sostituzione dei materiali che compongono le strutture, che di variazioni degli spessori dei medesimi.
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Con l'uso di adeguati softwares, diviene dunque possibile conoscere a priori gli effetti termici che le modificazioni possono avere sugli edifici oggetto d'intervento. Si rende quindi possibile la precisa calibrazione di tali modificazioni, rendendo più attenta ed efficace la progettazione e diminuendo conseguentemente i margini d'errore.
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A3r
Architettura
Murature massiva romana in mattoni e conglomerato cementizio