Conducibilità, Trasmittanza e Capacità termica
Si è descritto in precedenza come il calore si diffonda nelle murature da un punto più caldo verso quello più freddo, in questa sezione si vedrà più dettagliatamente quali sono le variabili utilizzate per descrivere il comportamento dei materiali e, più in generale, degli elementi edilizi sottoposti a riscaldamento o raffrescamento.
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La fisica individua alcune grandezze fondamentali che forniscono informazioni sulla quantità di calore (ossia sull'intensità del Flusso Termico) che attraversa le superfici degli edifici e sulle modalità con cui avviene la propagazione di quest'ultimo.
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Il nostro approfondimento interesserà in particolare:
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Conducibilità o Conduttività: E' una caratteristica specifica del singolo materiale.
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Resistenza: E' il rapporto tra la Conducibilità e lo Spessore del materiale.
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Trasmittanza: Descrive il passaggio del calore attraverso una Superficie.
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Capacità termica: E' l'attitudine a stoccare calore propria di una muratura.
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Queste quattro grandezze danno una descrizione di base del comportamento dei materiali impiegati in edilizia e sono disponibili da norme tecniche o da schede tecniche dei produttori, il che consente una lettura delle caratteristiche ed una valutazione di massima anche ai meno esperti in materia.
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Trasmittanza e Capacità termica degli elementi di involucro di un edificio devono essere calcolate con appositi softwares e la loro corretta interpretazione, tutt'altro che banale, è di fondamentale importanza nella progettazione.
Conducibilità termica
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In ambito edilizio la conoscenza di questo valore è di particolare importanza per la progettazione dell'involucro, in quanto rende possibile la progettazione di strutture ad elevate prestazioni (molto isolate), che riducono di molto le dispersioni termiche di quest'ultimo.
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La conducibilità termica è una proprietà specifica di ogni singolo materiale che identifica la sua disponibilità ad essere attraversato dal calore.
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Essa viene espressa con il carattere greco “lambda” di cui sotto si riportano il simbolo e l’unità di misura.
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Essendo:
il Watt (W) l'unità di misura della potenza,
il Metro (m) l'unità di misura della lunghezza,
il Kelvin (K) l'unità di misura della temperatura.
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La conoscenza di questa grandezza risulta fondamentale per poter apprezzare il valore di un materiale quale isolante o conduttore termico e quindi di poterlo impiegare consapevolmente a seconda delle necessità.
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Definizione:
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La Conducibilità termica fornisce la misura della quantità di calore che attraversa un materiale dello spessore di 1m, tra due facce di 1mq di superficie, al crearsi di una differenza di temperatura di 1° grado e nell'unità di tempo (1 secondo).
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​In altri termini, è l'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore per conduzione.
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La conducibilità termica è definita come la costante di proporzionalità fra il flusso di calore osservato e il gradiente di temperatura che lo provoca:
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Conducibilità termica =
Flusso di calore / Gradiente (o differenza) di temperatura
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In pratica essa può aumentare o diminuire all'aumentare o al diminuire della differenza di temperatura.
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Si riportano per conoscenza alcuni valori dei materiali edili più comuni, i valori più elevati indicano maggior propensione a trasmettere calore, propria dei conduttori, mentre i valori più bassi sono propri degli isolanti:
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Alluminio 200 W/mK
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Acciaio 60 W/mK
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Cemento armato 2.3 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/roccia circa 0.04 W/mK
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Polistirene estruso/espanso circa 0.04 W/mK
Aria in quiete 0.026 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..
Inoltre mediante le norma UNI 10351 e 10355 sono stati pubblicati i valori di materiali e murature utilizzati, ad esempio, dai vari programmi di simulazione energetica come CENED+2.0 della Regione Lombardia.
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Conducibilità materiale isolante (Lana di Roccia)
Conducibilità materiale conduttore (Alluminio)
Trasmittanza termica
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Il fabbisogno energetico di un edificio è la sommatoria dell'energia necessaria al suo riscaldamento nei mesi invernali ed al suo raffrescamento in quelli estivi.
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La trasmittanza termica è il parametro più importante per quantificare il fabbisogno energetico degli edifici, in quanto fornisce una misura del passaggio di calore attraverso gli elementi di involucro che li costituiscono.
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La trasmittanza termica non è una caratteristica propria di ogni singolo materiale (come si è visto essere la conducibilità termica), ma descrive complessivamente il comportamento in termini di dispersione di calore di una superficie.
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Riprendendo quanto già detto negli altri paragrafi:
"quando una superficie (una parete o una finestra, ad esempio) è sottoposta a un gradiente termico (ossia la differenza di temperatura tra l’interno e l’esterno), il calore tende a trasferirsi dall’ambiente più caldo all’ambiente più freddo".
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Per limitare il passaggio di calore, ossia per evitare eccessive dispersioni invernali o surriscaldamento estivo, gli elementi di involucro devono possedere caratteristiche fisiche proprie degli isolanti, ossia, riducendo la questione ai minimi termini, avere ridotti valori di Trasmittanza termica.
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Essa viene espressa con il coefficiente “U” con unità di misura W/mqK, ovvero Watt di potenza termica dispersi attraverso 1 metro quadrato di superficie per una differenza di temperatura di 1° grado Kelvin.
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La formula per il calcolo della Trasmittanza termica (U) è la seguente:
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Nella quale si evidenzia che essa dipende da:
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caratteristiche dei materiali (in termini di conducibilità termica e del relativo spessore) che costituiscono la struttura
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condizioni di scambio termico liminare [Rsi] [Rse], che esprimono la resistenza che incontra il flusso di calore quando "entra o fuoriesce" dalla struttura sia internamente che esternamente.
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La trasmittanza specifica di un elemento viene calcolata, in regime stazionario, imponendo come condizione al contorno una differenza di temperatura di 1°K (o Centigrado) e una superficie di scambio di 1 mq.
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Nel calcolo del Fabbisogno di un edificio, la somma delle dispersioni calcolate rapportando area e superfici di ogni elemento dell'involucro edilizio reale, determina quale è la dispersione termica in quel dato istante.
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La somma delle dispersioni così calcolate, rapportata alla differenza di temperatura reale (tra T°interna e T°media mensile esterna), ed effettuata per 12 volte, una per ciascun mese dell'anno, costituisce il calcolo della prestazione termica di un edificio, per come viene effettuato dagli attuali software a norma di legge vigente:
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D.Lgs. 19 agosto 2005, n. 192 (Nazionale)
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Decr. del 30 luglio 2015, n. 6480 (Regione Lombardia)
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Ciò fornisce senza dubbio un'indicazione in termini di prestazione energetica di un edificio, ma non fornisce informazioni precise sul comportamento dell'edificio al variare delle condizioni al contorno.
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E' infatti intuibile che Temperatura esterna, ventilazione, umidità ed irraggiamento solare non possano essere considerate costanti, ossia che la T°media esterna non rappresenti in modo soddisfacente la situazione termica reale.
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Per quale motivo?
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Prevalentemente perché questi parametri (Temperatura ed Umidità relativa), presentano variazioni significative su base giornaliera, quindi il flusso di calore che attraversa le superfici di involucro (che, ricordiamo, si muove verso il lato più freddo) può essere entrante durante le ore calde e uscente nelle ore più fredde, ad esempio nelle stagioni di transizione (primavera e autunno), ma anche in estate.
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In queste situazioni climatiche, per avere un quadro verosimile del comportamento di un edificio non ci si può fermare ad un'analisi svolta secondo gli attuali strumenti normativi (analisi in regime Stazionario o semi-Stazionario), ma ci deve necessariamente considerare un'analisi in regime dinamico, che effettua il calcolo di cui detto al variare del tempo e delle condizioni climatiche interne ed esterne con cadenza oraria (o anche inferiore, se necessario).
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Di questo si parla in modo più approfondito nella sezione dedicata alle simulazioni energetiche.
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Resistenza termica
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In fisica, la resistenza termica esprime il livello di difficoltà del calore nell'attraversare un corpo.
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È la grandezza reciproca della conducibilità termica, ed è espressa dalla seguente relazione:
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Nella formula si noti come lo spessore sia direttamente proporzionale alla resistenza, mentre la conducibilità sia invece inversamente proporzionale.
Ciò significa che più aumenta lo spessore del materiale e più aumenta la resistenza che questo oppone al passaggio del flusso di calore.
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Al contrario, maggiore è la propensione a lasciar passare calore (conducibilità), ed inferiore sarà la resistenza che questo oppone.
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Per maggior chiarezza:
considerando due punti A e B mantenuti a temperature costanti diverse tra loro,
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A situato all'interno e
B all'esterno di un muro perimetrale di un'abitazione.
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Immaginando l'abitazione riscaldata durante la stagione invernale, il calore passerà spontaneamente dal punto A (interno, più caldo) al punto B (esterno, freddo).
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Se le due temperature rimangono costanti, la velocità del flusso di calore (...e dunque la quantità di calore che passa all'esterno...) dipenderà proprio dalla resistenza termica opposta dal materiale, oppure dalla somma delle resistenze dei vati strati di materiali che compongono la parete.
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Considerazioni semplici, ma molto importanti per interpretare i dati delle schede tecniche fornite dai produttori e per saper valutare adeguatamente e scegliere consapevolmente i materiali da utilizzare.
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In estrema sintesi possiamo affermare che la conoscenza della Resistenza termica è utile perché da una misura di quanto un dato materiale, preso con certo uno spessore sia in grado di opporsi al passaggio di calore.
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Da questa conoscenza, in fase di progettazione, è possibile determinare gli spessori più idonei dei materiali che comporranno le pareti dell'edificio, valutandone gli effetti a livello termico e prediligendo, a seconda delle necessità, i materiali più adatti alla situazione.
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Resistenza del materiale con spessore reale per 1metro quadrato di superficie
Trasmittanza della parete multistrato con spessori reali dei materiali per 1metro quadrato di superficie
A3r
Architettura
Punto A
Punto B
Flusso Termico STAZIONARIO
Flusso Termico
DINAMICO
Differenze tra flusso termico tra punto A (interno) e punto B (esterno):
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- Calcolato in Regime Stazionario è solo una grandezza che si riduce in un dato istante.
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- In Regime Dinamico è un grandezza che varia ad ogni istante, come avviene nella realtà.
Capacità termica
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La capacità termica in fisica è definita come la quantità di calore necessario a far variare la temperature di un corpo di un certa massa di 1°K.
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Questa grandezza dipende dalla massa del corpo, ossia dalla densità del materiale di cui esso è composto e dal suo volume.
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Si può dire che:
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la capacità termica esprime l'attitudine di un corpo (o di un materiale) ad accumulare calore al proprio interno quando è sottoposto a riscaldamento, ossia quando l'ambiente esterno è ad una temperatura più elevata, oppure a cedere calore quando l'ambiente esterno è ad una temperatura inferiore.
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Se si analizza il comportamento termico di un corpo (o di una muratura) nel tempo, l'indagine diviene complessa, in quanto si devono prendere in considerazione le oscillazioni della temperatura esterna al corpo (o all'edificio) e gli effetti della ciclicità di queste sul medesimo.
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L'analisi che si opera è il calcolo del Transitorio Termico, quantificabile attraverso il calcolo matriciale, e che per semplicità non verrà trattato in questa sede.
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Ci si limiterà qui ad esaminare la costante di tempo, caratteristica del corpo in esame, dalla quale il calcolo del transitorio termico dipende strettamente, della quale qui di seguito si riporta la formula:
in cui:
V Volume
A La superficie/area esposta
Rhò La densità del materiale
c Il calore specifico del materiale
h Il tempo in ore
m massa (Densità x Volume)
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Alcune considerazioni in ambito edilizio:
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Dall'analisi del secondo membro dell'ultima equivalenza si vede come, a parità di materiali impiegati e di tempo, sia il rapporto V/A, volume e superficie esposta, ad essere determinante per l'aumento o la diminuzione del valore della costante di tempo.
Ciò implica che maggiore sarà la superficie esposta a parità di volume dell'edificio, maggiore sarà la dispersione e di conseguenza sarà inferiore il tempo di surriscaldamento o raffreddamento dell'edificio stesso.
NOTA:
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In pratica, dalla formula si vede la ragione che ha spinto gli esquimesi ad ottimizzare la forma degli igloo per disperdere meno calore possibile.
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Infatti la forma sferica è quella, tra i solidi, ad avere la minor superficie esposta rispetto al volume contenuto.
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Nella progettazione è da tenere presente che:
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Un edificio che, a parità di volume (V), ha grande superficie esposta all'esterno (A), ha maggiori dispersioni rispetto ad un edificio con lo stesso volume e superficie esterna minore.
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Da cui si evince che un edificio compatto sarà più efficiente e meno costoso da gestire.
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Altra considerazione:
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Dall'osservazione della prima equivalenza, emerge che la massa (m) dell'edificio riveste un ruolo importantissimo nell'aumento o diminuzione della costante di tempo.
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Questo significa che, a parità di dimensioni e forma dell'edificio, i materiali impiegati fanno la differenza nell'essere più o meno propensi o ad accumulare e rilasciare calore.
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Ossia murature composte da materiali che possono accumulare al loro interno grandi quantità di calore prima di rilasciarle (ad es. una muratura in mattoni pieni, acqua, materiali a cambiamento di fase), riescono a garantire all'interno dell'edificio condizioni più costanti, quindi assicurano una minor richiesta di energia agli impianti sia per riscaldamento che per raffrescamento.
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All'opposto, un edificio con pareti "leggere" (legno e isolanti, pannelli prefabbricati, murature a cassa vuota in mattoni forati al 60%) si riscalderà molto velocemente nelle giornate estive e si raffredderà altrettanto velocemente nelle lunghe notti invernali, richiedendo molta energia agli impianti in entrambe le situazioni, con conseguente aumento di spesa e di inquinamento ambientale.
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Concludendo:
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La capacità termica è dunque un parametro di grandissima importanza nella valutazione sia dell'edilizia esistente che in fase di progettazione.
Nella pratica, purtroppo, spesso è trascurato dai progettisti, che si fermano a considerare la trasmittanza delle strutture edilizie, in questo favoriti dall'attuale normativa, che richiede la verifica solo di questo parametro, non considerando la capacità termica come elemento determinante per la progettazione.
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L'industria dei materiali edili inoltre spinge con grande forza verso la costruzione di involucri estremamente performanti sotto l'aspetto della trasmittanza (ad es. le case in legno tanto pubblicizzate), e non trovano altrettanto interesse nella riqualificazione e nella valorizzazione del patrimonio edilizio esistente, ben più performante dal punto di vista capacitivo, ossia molto migliore se gli obiettivi sono il risparmio energetico/economico ed il comfort abitativo.
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Importante:
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Contrariamente a questa nuova tendenza verso l'involucro edilizio leggero si stanno levando numerose voci anche dai dipartimenti di ricerca di molte università italiane, che esibiscono dati misurati o simulati che dimostrano quanto la massa nelle murature possa aiutare a raggiungere bassi consumi ed alti livelli di comfort.
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Tutto ciò a favore della tutela e valorizzazione del patrimonio edilizio esistente, che trova una sua giustificazione anche dal punto di vista climatico ed ambientale.
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Qui sotto si riportano alcuni link utili per eventuali approfondimenti disponibili gratuitamente in rete:
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Slides Prof. F.Nicoletti, Università Mediterranea degli Studi di Reggio Calabria Facoltà di Architettura:
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https://www.unirc.it/documentazione/materiale_didattico/597_2007_43_362.pdf
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Slides Prof. Bettiol, Università degli Studi di Roma "Tor Vergata":
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http://www.uniroma2.it/didattica/fre/deposito/A.2-Isolamento_e_Massa_termica.pdf
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Slides Prof. Arch.A.F.L. Baratta, Dipartimento di Tecnologie dell'Architettura e Design "P. Spadolini" Università degli Studi di Firenze:
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http://www2.ing.unipi.it/~a005843/Baratta-prestazioni%20termiche.pdf
A3r
Architettura
Murature leggere in legno ed isolante
Murature massive in mattoni
L'igloo è una semisfera (come i forni per il pane), la forma più adatta alla conservazione del calore.