Analisi comparativa sul comportamento termoigrometrico di pareti costituite da vari materiali abitualmente impiegati nell' edilizia (C0cêarative ar_alysis of the hygrothermometric behav i our of walls' m" de of vnrious materiaIs commonely used in buildings)

G. ':'AGLIA!l IN I , G. RAFFEllINI Isti t uto di Fisica Tecnica , Facoltà ~i Ingegneria, Università di :lo 101',118, ltalia

SO:'!l:lc r io :\ ella l:o t 8 viene presentato u:' confr onto , sotto i l jlrofilo t ermo­iero~etrico ed energetico, fra ~lcuni ti?i di prodotti in lateri­zio ed eltri materi~li di diversa natura , aJitualmen te utilizzati ne ll 'eãilizia civile per la realizzazione di pareti apache ester­n l.?

~ulla bcse delle pro 9rietà termofis iche dei vari mater ial i consi­derat i, viene condo t ta un 'analisi comparativa riguardante alcun~ , ossioili s oluzioni costruttive utilizzanti i suddetti materiali, rnche acco~~iati a strati isolanti. Tale 2~alisi ha lo scopo di fomire indicazioni pratiche riguar­danti il ris jlarmio di energia, l'equiliorio termoigrometrico del l e ~areti ed il lo r o comportamento in r egime termico variabile.

Abstract 11he !)aper prcsents a comparison, frem the hygrothennometric and enere etic viewpo i nts, of several types of externaI wall~ made of ;,;, ricke end other materiaIs of various :cinds which are commonly us ec in civil buildings . J~ the bes is of the thermojlhysical pro perties of the various ma­terialr considered, a cornpar~tive analysis i8 made concerning ~ome po~siole ~uilding solutions using the mentionàd materiaIs, el eo comoin ed wi th insulating layers. ~hc c.im o f theEe analyses i8 to proviãe some practi cal indica­tions es,ecially conceming the energy saving, the hygrotherm~ ",e t r ic e~uilibrium Df the V/all s and their behaviour in variable tem~erature conditions.

1. P:llC-:;SSA l 'attuale crisi energetica e l ' oppor tuna Legge Nazionale N. 373 / 1/ , per al t r o assai deludente nell ' applicazione e nelle veri f iche per 11 comportamento pressoche inadempien­te della m'ggiorrillza dei Comuni italiani , hanno i nciso, in questi ultimi anni, in modo profo~co sulla pr ogettazione d! gli edific i e nell 'utilizzazione dei materiali impiegati. L" pr esente nota si jlrojlone di val utare i principali aspet­ti deI comportamento termoigrometrico dei materiali e delle soluzioni costruttive di interesse pratico, in quanto fre­quentemente utilizzate nell'edilizia odiema per la realiz­zazione di pareti opache esteme.

1239

2. cor~!'lO !1t·N:'· F.NTO IN nEGr..1E 'r~~OIG]O:~!:T3ICO STAZIO~iARIO

2.1 Trr~~itt~~zn termicn e temu€rntura superficia1e interna in zo-~1~ corrente In ~ue~ta prima fase d'inde8ine e stato valututo innanzitutto il com)ortamento tennico in regime s tazi onario , ai fini deI r.!. s;"B,rr.J.io d' energia e de1 benessere tennico de1ltam::,iente interno di W1['. eerie di pareii (caei A .; M) , 8ssa i diverse per i mate­rial i i mpiegRti e De r i eistemi di ?o s a in o gera adottati. In­fatti, mentre i urimi tre caei considerati (A, 3, C) sono carat terietici àel1tedilizia antecedente 1e di~posizioni di iegge sul riE :.armio ener6e t ic~ /1/ e quindi senza ltadozior.e ci 'particol~ ri mi!iurc :::le r limitare 1e dispersioni termiche, e qui consic.er.ê: ~i ~o;rattutto co~e riferimento, tutti gli eltri costituiscono ee€i.l; i di realiz zezioni attuali, differenti pr inci::::mlmente per la :ore~enza e la "Oosizione di stra,ti isolanti oppure per il ti­po di materiale adottato. :,ella tabella 1 sono riportati i valori delle pr oprietà termof.!:. eiche dei materiali componenti le ?areti in esame, desunti dal­la letteratura specializzata /2,3,4/ ed assunti per i calcoli. In particolare i valori di conduttività termica sono relativi ai

TAilELLA 1

Conduttività Ienei tà Calore spec. Coeff. resisto termica !<gm-3/ a p =costante diffusione

/l'lm-1:r 1/ /JI<g-l ;:-1/ vapore rel~

Á .f ,cf tivo all'aria

)J-

fJ,:IA~TO (LASTRE) 0,60 1800 1000 20

A!lIA ( CAI'iERA D' ) 0,19 (eq.) 1 ,3 1000

CLS AR:,IATO 2,15 2400 880 50 C.I ,S CELLUlARE 0,21 600 800 6

GZSSO 0,70 1200 840 10

IlITONACO 0,90 1800 860 15

LANA MINERALE 0,04 30 840 1 ,5

LATERIZI PORIZZATI 0,28 700 950 6 :,~ATTONI FORATI 0,36 (eq.) 1000 920 8 !,:ATTONI PIENI 0,86 1800 1050 10 . , rOLIURETANO ESPANSO 0,025 35 1400 30

materiali posti in opera /2/. Assumendo i valori di temperatura esterna minima ed umidità relativa , tipici per molte città del Nord ltalia: te = -5°C;fe = 80%, e per l'a~biente interno: ti = 200C; ti = 60% e delle addutt~ze unitarie interna ed esterna suggeri te dalla norma /5/: Cl{ i = 8 Wm j{""1 ed

1240

•

~ e ~ 23 Wm-~-1, sono stati desunti dapprima i valori della tra­smitt&~za termica unitaria (K), delle temperature superficiali in­terne (tsi) ed esterne (tee ) e della densità superficiale (r). I risultati riportati nella tabella 2 mostrano la sensibile diffe­renza dei valori di K e t si tra pareti isolate e non, con valori ~ tcnncdi per quelle costitu1te da materiali di per se parzialmente isolanti.

TABELLA 2

K/llm-2í{-l/ tse/oC/ tsdoc/ I:/kgm-2J

A 1,94 - 2,9 13,9 540

B 1,03 - 3,9 16,8 316

c 3,96 - 0,7 7,8 402

D 0,79 - 4,2 17 ,6 246

E 0,72 - 4,2 17 ,8 186

F 0,46 - 4,5 18,6 333

G 0,65 - 4,3 18,0 541

H 0,65 - 4,3 18,0 541

I 0,79 - 4,2 17 ,6 421

L 0,79 - 4,2 17,6 421 ., j ., 0,53 - 4,4 18,4 60

Nel l 'ipotesi teorica di regime stazionario, la posizione dell'iso-12n ~e non ha alcuna influenza BulIe dispersioni termiche (vadasi c~ si C, H ed I, L). I v~ lori di te~~eratura superficiale interna sono significativi per qU:?..i.lto ri L,"'ULlrda il rischio deI manifestarsi di condensa superficiale, C: iC , n clle conàizioni ipotizzate, si formerebbe per valori di tsi < 12<C e per quanto ri guarda il benesscre terrnieo interno, che potr eboe CRSere compromesso da scambi radiativi interni troppo in­t cn~~i •

2. 2 Tr2.;:~Jit tanza lineare e temperatura superficial e in zona ponte termico

:.l eéiante UlO programma di calcolo già elaborato /6/, utilizzante il lr. etcdo lJ.u.r.ierico degli elementi fini ti, sono stati desunti i valori dcl coefficiente lineare (K~) e gli andamenti delle linee isoterrni­ehe rispettivamente a ooe (linca tratteggiata) , 120C (linea continua), 14° C (linea tratto e punto), relativi ad alcuni esempi di ponte teE r:ü co c~e si verificano all'intersezione parete verticale-solaio di :;:'ü ...... '10, a.l1che passante. 1c prrreti verticali considerate sono alcune fra quelle già esaminate aI preceàente paragrafo o

I r isultati sono riportati nelle Figg. 1 ~ 7; il loro esame suggerl s ce le següenti considerazioni:

1241

- i easi a, b, e,presentando disuniformità geometrica, ma limitate disomogeneità della conduttività terrnica dei materiali, sono earat terizzuti da modesto effetto di ponte termico;

- il caso d, esempio ' di isolamento dalltesterno con solaio aggettan­te, pur presentando evidenti distorsioni del le linee isotermiche, che stanno a testimoniare della presenza di sensibili flussi ter­~ici non perp endicolari alIa parete, e di conseguenza un elevato vaIare di K(, non evidenz iano risehio di condensazione superfici! le interna; aI contrario deI caso d, i casi e ed f, con isolamento dall'in~er­no , present2l10 anche questo rischio. Va sottolineato che questa differenza nei r isultati dipende molto piu dalla posizione del-l'iso12l1te che daI tipo di materiale portante impiegato; il caso g, in cui la presenza dell t in tercapedine dI aria sen za in­serimen to di isola~te ê caratteristico dell ' edilizia antecedente le dispos izioni di Legge / 1/ , evidenzia un comportamento interme­dia fra queIli co:·.siderati precedentemente.

2.3 Comportamento termoigrometrico di pareti E' stato valutato per le pareti in es&~e il compo rtamento termoigro metrico secondo il metodo grafico approssimato di Glaser /7/, per verificare la possibilità di condensazione deI vapor d'acqua all'i~ terno delle stesse e l'entità deI fenomeno , quantificato dall'area co~presa fra le linee rappresentative ri spettivamente della pressi~ ~e par ziale del vapo r d 'acqua (Fv ) e della pressione di saturazione (?sl nel le zone in cui Fv> Fs • I risultati sono riportati , unit~ente all'andamento della tempera­tura , negli schemi delle Figg. 8 ! 18, dove si puo osservare come questo problema insore;a nei casi in cui gli strati di materiaIe i80 2.C.l1te sono posti verso l t interno dei locali rincaldati (H, I, M) od in pos izione intermedia (F) e richiedano in questi casi la messa in opera di barri ere aI vapore, mentre ness1.U1 problema insorge in tut­'~i CIi aI tri cas i considerati •

.3 . C01~ lrortC' .. njcn to in r crir:Jo tcrmico vo.ri.s..bil e Pur CGzcnuo 17101 to frc(lucntcrnentc vo.lutatc le preztazioni de llc par e ti solo in reeime tcr~ico stazionario , tuttavia in fase di progett~ zio~e , sarebbe opportuno non t rascurar e le variazioni delle condi­zioni 8.I:lbientali a cui esse sono sottoposte. A tal e scopo, nella presente nota , si c supposto che le condizioni 8.r.1bientali siano le medesime a due istanti di tempo( e 7:"+"'0 ,per Ol91i valore di L , 1l per un intervallo di tempo <o costa"te; tale r egi me e comune~ente detto periodico stabilizzato e to ne e il peri~ à.o . L~oltre se si trascurano le non linearità pres enti nel processo di sC2!:i.bio tennico che 2.vviene tra parete e arn!.Jiente, e possibile com­prendere in un solo parametro i fattori che determin2l10 le condizio ni ambientali esterne: temperatura dell'aria ed irraggiamento sola: re. Questo fattore e noto come temperatura aria-sole ed e espresso daI la relazione: -

aI tas = te + o(e

1242

do ve e te: l

a

temperatura dell'aria esterna, potenza termica, dovuta alIa radiazione solare, inciden te sulIa unità di superfície di parete considerata , coefficiente di assorbimento della superfície esterna della parete ,

~e adduttanza unitaria esterna. Per semplicità di trattazione, l'ambiente intenlo e assunto a tempe ratura costante. In tali condizioni e possib ile calcolare la poten= za termica che attraversa la parete istante per istante, aI fine di u,.'1 piu corretto dimensionamento degli impianti, ovvero, in assenza di i~pianto di condizionamento dell'aria, pe r valutare se la parete considcrata e in grado di assicurare un sufficiente b~'1eSEere termi co agli utenti, attenuando e ri tardando opportunamente l'onda termi­ca esterna. Per tanto e utile calcolare la riduzione d'ampiezza (0-) e i1 ritarào di fase (y), relativi alla superficie inte~a àella pa re te /8/, di una sollecitazione sinusoidale, di dato periodo, veri= fi cantesi nell'anbiente esterno, con l'ambiente interno mantenuto a temperatura costante. I valori di <f e 'r passaDo eSSere assunti come i~dice delle prestazioni della parete esterna ed inoltre, la loro conoscenza in funzione del periodo to, consente, mediante la tecnica del l'2J1alisi di Fourier, di determinare i flussi termici che istan­te per istante attraversano la parete in corrispondenza di una qual sivoglia variazione period~ca deIla te~peratura dell'aria esterna e dell'irr~ggiamento solare. Per le pare ti eià considerate ai precoden ti paracrafi, A .; Ir , sono ri portati in Tabella 3 i valori di cr e "'t -ca lcolati con il metoco 8.'1alitico dell'analogia elettrica /8/, per lli1 8,. sollecitazione esterna sinusoidale, di ampiezza unitaria. Insie­"C c.i v"lori relativi all'armonica fondamentale (periodo 24 ore), e p8.rso opportuno riportare anche quelli relativi alIa seconda armoni ca ( ll criodo 12 ore), poiche negli orientamenti EST ed OVEST, a causa Gc ll 'irr~gGiamento solare dissir.~etrico , ne11a temperatura aria-sole e ;)resente uno. componente non trascura'.Jile avente periodo di 12 ore. Nel l 'ori ent8J.'1ento SUD e su su?erfici oriz.zontali, invece, la sola pri::1.:l ~rrnonica r , .!)!"ossima sufficicn temente, per i fini pratici , la v:"!.r i c,zione dellc condizioni esternc nel1 t arco dc11e 24 ore. COll trílri2.rncnte a quanto o.vviene ne1 caso deI regime stazionario, la r i sposta delle pareti a sollecitazioni termiche variabili nel tempo dip el1de non solo dalle caratteristiche termofisiche e dagli spesso­r i dei materiali costituenti la parete ma anche dall'ordine con il Qual e questi sono disposti . Infatti, vedasi ad esempio, le pareti G e ~ L e quelle H ed l, per le quali i valori di c:; e 't' sono sensibil­me~te diversi, ed in particolare per le pareti l ed L. In generale la disposizione dell' isolante termico ,\~erso l' esterno esal ta 1e ca­r attcri stiche di attenuazione e di sfasamento della parete . 1 e pnreti considcrate presentano valori di riduzione d 'aopiez za deI 1 t a rn:oniea fonda":lentale inferiori a 0,07, con 1 t ecc ezione deI caso C a causa dell'elevata conduttività termica de1 calcestruzzO. I va­lori relativi alIa seconda armonica risultano malta inferiori a que sti , se si eccettua la parete I/I che, a causa della bassa densità s~ perfiCiale, e particolarmente sensibile alle sollecitazioni di bre­Ve perio do.

1243

TA3ELLA 3

a- o- t' 't' armonica 20. annonica armonica 2"- armonica fondamentale fondaJ!lentale

A 0,067 0,024 9 ,4 7,0

B 0,043 0,015 9,6 7,4

C 0,326 0,193 4,2 3,2

D 0 , 034 0,012 9,7 7.5

E 0,047 0,021 7,4 6,0

F 0,019 0 ,006 9,5 6,9

G 0,007 0 ,002 11 , 9 8,4

H 0 ,010 0 ,003 11 ,5 8,3

I 0,046 0,024 5,7 4,1

L 0 , 027 0 ,013 6,4 4,1

M 0,064 0,057 1 ,7 1 ,7

Analoganente, per quasi tutte queste pareti , il ritardo di fase e tale da garantire un sufficiente intervallo di tempo tra gli ist~ ti in cui si verificano i valori massimi della sollecitazione ter­oica esterna e del flusso che attraversa la supcrficie interna del­la parete . Fanno ancora eccezione le pareti C ed 1.1 per i motivi già CS'Pooti. Per alcQ~e de l le pareti considerate e parso infine di qualche inte­resse calculare i flussi tennici che attraversano 1e suparfi ci e­sterna (0e ) ed interna (0i) quando la temperatura aria-sole varia c o~c rappresentato in Fig . 19, (valori t eorici relativi a Bologna ncl mese di Larzo per orientamento SUD)mentre l' ambiente interno e m~~tcnuto alla temperatura costante di 20°C. Il flusso termico me­diamente disperso (0m) dall'ambiente interno verso l ' estcrno nelle 24 ore, indicato nelle Fi gg. 20 ~ 26 da ~~ seemento a tratto disco~ tinuo " pari al valore calcolabile nel regime stazionario , caratte­rizzato dal valore media della temperatura aria- sole considerata. Dalle fiGUre si puà tuttavia osservare come, con la sola esclusione della parete G, durante le ore del soleggiamento, penetrino nella parete quantità di calo r e ingenti. Una piccola parte di questo ra~ giunge l'ambiente interno, mentre la restante viene immagazzinata dalla paretc. In questa ipotesi di tresmissione deI calore, piu che i valori minimi e massimi di 0 e e 0i , appaiono significativi i val~ ri del rapporto ira il valore massimo di 0e ed il relativo valor e medio 0m• Come e desumibile dagli andamenti riportati nelle figure, tale rapporto assume per queste pareti valori che vanno da un mini­mo di 11,5 per la parete C fino ad un massimo di 84 per la parete H, isolata verso l'ambiente interno. Tale calore, accumulato nella pa­rete durante il giorno, se si potesse evitare il suo ritorno allo

1244

~)1,;)iC!ltC estcrno durante la notte , ri st;.lter eobe esuber al1te ri spet_ to all e c.isper sion i de11'ambiente. E' peraltro possibile costruir e lo.. ?arete i n J:l0C.O tr.1 e che i1 f luEso terr:: i co che l ' attraversa abbia t:..:.: ::: dir c:3 i one pr Cf Cr el'l Zie.le: dall'ambiente csterno verso l'interno. Ci o G otte:libile sovra~ponendo al Ia par ete tma o pi u lastr e di Ve­t ro, onde sfruttar e l'cff etto serra, co~c avv i ene in alcur.e applica zioni di cdil i zia pass i va (serre, s,azi solar i, rnuri di Trombe) . -r uõ inoltr e risQltare util e , util i zzcr e fluidi vetto ri per tracpor ~~rc i1 c~lor c dalla maSsa del l a par cte, i n cui e stat o accumulatõ , r.~ l ' ru:I~ücr:tc interno evi tando la r es i stenza tenni ca di conduz i on e, ~) c. rticol2.r:nente elevata qualor a sieno present i strati isolenti in corrispondenza cella s1.i.p erfi ci e interna del1a parete , come e il c~ sc del~a par ete H. D:oll ' ec=e delle figure 21,25,26 s i pu:' vedere come veri il coopor ;cc:;er: to deU e pareU utilizzanti lo stesso mater iale (CLS) in di ver si s~esso ri, Dentre confron tando i diver si ~~damenti nelle Figg. 2Õ, 22 ,25, si puc ri levare, a pari tà di spesso r e , l'influenza di alcuni ti;Ji di ma terial i diver si , ed ancora , esaminando gli "andamenti di fte ec i valori delle differenze (fti - ftm)max riportate nelle Figg. 23 e 24 ,come influisca la posizione di uno strato isolante.

S IBL 10 G~"FIA /V L. 30/4/76 , n. 373 : Norme per il contenimento deI consumo ener

getico per usi termici negli edifici - G.U. 7/6/1976 , nO 14 8 ;­D. ? ll. 28/6/1978 , n . 1052; D. I.: . 10/3/1977, G. U. 6/2/1978, n. 36.

/2/ Proeetto di norma CTI 1/121, Aggiornamento della tabella ripor-tato. aI punto 7.1.2. della Noma UN I 7357 (vedasi / 5/) : Condut tività terrnica dei materiali isolanti (in inchiesta pubblica):

/3/ K.llAZNJEVIC: Tabelle termodinamiche - Ed. Del Bianco, !.!ilano, 1971.

/4/ No r ma t iva Tecnica Ilecionale per l'cdilizia r esidenziale pubbli ca uella Rcgione Emilia llomaena , ricerca I CIE-IFT, Vol . 3, Libro della specifiche , Bologna, 1978.

/5/ No r ma lITll 7357: Calco l o deI fabbinogno termico per il ri scal da­cento di cdific i, I.1ilano , 1975.

/6/ G. rAGLIA!UNI, A. r;UNAllI: I pont i termici nelle strutturc edili ed i l calcolo della distribuzione della temperatura per particola­ri ceometrie spaziali - Atti dell'Accademia delle Scienze di Bologna , Anno 26 8 , Serie XIII, Tomo VII pago 99-116, Bologna, 1980.

/7/ GLASER: Graphisches verfahren zur untersuchung von diffusions vo r.:;angen - Kaltethechnik n . 11, 1959.

/ 8/ P. BONDI , P. DI FILIPPO, G.REALE: Thermal performance of walls, Ed. PEG, Milano, 1977.

1245

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