L'inerzia termica di una parete in balle di paglia

PRESTAZIONI TERMO-IGROMETRICHE DI UN INVOLUCRO EDILIZIO

IN MATERIALI NATURALI

Ing. Andrea Ursini Casalena www.MyGreenBuildings.org

Il microclima

Viene definito "microclima" l'insieme delle caratteristiche fisiche dell'aria dell'ambiente in cui viviamo. Normalmente, dato che la nostra attività avviene prevalentemente in ambienti chiusi, il microclima descrive le proprietà qualitative dell'aria di tale ambiente confinato.

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La sensazione umana di benessere termoigrometrico in ambienti civili e di lavoro dipende principalmente da:

Le condizioni di benessere termoigrometrico

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INERZIA TERMICA

Cos’è l’inerzia termica

L’inerzia termica è la capacità di un componente edilizio (parete o tetto) di:

attenuare le oscillazioni della temperatura ambiente dovuta ai carichi termici interni ed esterni variabili nell’arco del giorno (radiazione solare, persone, elettrodomestici)

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accumulare il calore e rilasciarlo dopo un certo numero di ore nel tempo.

Cos’è l’inerzia termica

La proprietà termica dell’involucro edilizio più utilizzata nel bilancio energetico di un edificio (in fase invernale) è la trasmittanza termica stazionaria (U = W/m2K), che ne rappresenta la capacità isolante, ma non quella di inerzia termica. La fase estiva, essendo caratterizzata da carichi termici al contorno variabili nell’arco della giornata in modo più evidente rispetto all’inverno, chiama in gioco l’inerzia termica dell’involucro edilizio.

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UNI 13786 e regime sinusoidale

La norma UNI EN ISO 13786 contiene una procedura per il calcolo del fattore di decremento, del suo ritardo (sfasamento) e delle capacità termiche riferite alle due facce di un componente edilizio.

La procedura ipotizza che le temperature e i flussi termici abbiano la forma di sinusoidi che, attraversando la parete, subiscono una attenuazione e uno sfasamento.

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UNI 13786 e regime sinusoidale

Ipotizzando: 1. flusso termico monodimensionale, ossia per una parete piana indefinita di spessore costante; 2. un mezzo omogeneo ed isotropo, con diffusività termica α; 3. assenza di generazione interna di calore

02

2

=∂∂

−∂∂

xT

tT α

Per affrontare lo studio della conduzione in regime dinamico è necessario risolvere l’equazione differenziale di Fourier.

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02

2

=∂∂

−∂∂

xT

tT α

pc⋅

=ρλα

Conduttività termica [W/mK]

Calore specifico [J/kgK]

Densità [kg/m3]

( )tsenATx

ω⋅==0

La temperatura varia con una legge sinusoidale

Diffusività termica Temperatura

UNI 13786 e regime sinusoidale

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Pπω 2

=

PULSAZIONE

( )tsenATx

ω⋅==0

PERIODO

P=12h

P=24h

UNI 13786 e regime sinusoidale

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( )tsenATx

ω⋅==0

Intensità della radiazione solare per varie esposizioni (Italia del sud - luglio).

Pπω 2

=

PULSAZIONE

PERIODO

P=24h

UNI 13786 e regime sinusoidale

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Risolta equazione si ottiene:

−=

−

xtsenAeTx

x αωωα

ω

22

Esterno

x=0 x

Interno

Mezzo omogeneo

x=0.4

UNI 13786 e regime sinusoidale

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Esterno

x=0 x

Interno

Pare

te o

mog

enea

x=0.4

Le oscillazioni rapide vengono attenuate e ritardate di più di quelle lente

P=24h

P=12h

P=6h

UNI 13786 e regime sinusoidale

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Le oscillazioni rapide vengono attenuate e ritardate di più di quelle lente

UNI 13786 e regime sinusoidale

Poiché, man mano che si penetra nella parete, le oscillazioni più rapide vanno estinguendosi, una volta raggiunta una certa profondità, l’onda di temperatura sarà praticamente sinusoidale, cioè ridotta alla fondamentale di periodo 24 ore.

P=24h P=2h

LA PROFONDITÀ A CUI ACCADE QUANTO AFFERMATO DIPENDE NON SOLO DAL PERIODO MA ANCHE DALLA DIFFUSIVITÀ TERMICA DEL MEZZO Ing. Andrea Ursini Casalena

Diffusività α = 6*10-7 Diffusività α = 4*10-5

Minore sarà il valore della diffusività termica, maggiore sarà il contributo del materiale nell’attenuare e sfasare l’onda termica entrante

pc⋅

=ρλα

UNI 13786 e regime sinusoidale

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Il regime sinusoidale

Materiale Conducibilità termica λ

[W/mK]

Calore specifico cp

[J/kgK]

Densità ρ

[kg/m3]

Diffusività termica α

[m2/s*10^7]

Fibre di legno 0,044 2000 250 0,88

Calce e canapa 0,089 1700 497 1,05

Lana di legno 0,065 1470 400 1,10

Blocchi calce e canapa 0,080 1700 400 1,18

Lana di roccia 0,038 1030 175 2,11

Sughero 0,045 1700 110 2,41

Paglia pressata 0,070 1900 130 2,83

Intonaco in argilla 1,500 2362 1700 3,73

Poliuretano espanso 0,023 1400 40 4,11

Lana di vetro 0,040 850 105 4,48

Intonaco a calce 0,800 1000 1600 5,00

Polistirene estruso XPS

0,035 1450 33 7,31

Polistirene espanso con grafite EPS

0,031 1450 25 8,55

UNI 13786 e analisi armonica

[ ]{ }

[ ]{ })()cosh()cos()()()cosh()cos()(

)cos()()()cosh()()cosh()cos()(2

)()()cos()cosh(

21

12

2211

ξξξξξξξξδλ

ξξξξξξξξλδ

ξξξξ

sensenhjsensenhZ

senhsenjsensenhZ

senjsenhZZ

−+−−=

−++−=

+==

δξ d=

πα

ρπλδ T

cT ⋅

=⋅⋅

⋅=

Dove:

⋅

=

1

1

21

11

2

2

~ˆ

~ˆ

q ZZ ZZ

q 22

12 θθ

Lunghezza di penetrazione dell’onda termica

Diffusività

Parete multistrato

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UNI 13786 e analisi armonica

⋅

=

1

1

21

11

2

2

~ˆ

~ˆ

q ZZ ZZ

q 22

12 θθParete multistrato

Trasmittanza termica periodica (Yie = W/m2K) Contiene concetto di sfasamento (φ) e attenuazione (d) Capacità termica areica interna periodica (k1 = kJ/m2K) Sfasamento (ore) Fattore di attenuazione (-) Ecc.

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L’inerzia termica si può descrivere attraverso due principali proprietà termiche dinamiche: trasmittanza termica periodica (Yie = W/m2K) Contiene concetto di sfasamento (φ) e attenuazione (d) capacità termica areica interna periodica (k1 = kJ/m2K)

Cos’è l’inerzia termica

UNI EN ISO 13786:2008 Thermal performance of building components - Dynamic thermal

characteristics - Calculation method Ing. Andrea Ursini Casalena

Radiazione diretta

Temperatura aria

Radiazione diffusa

Yie k1 Trasmittanza termica periodica

Capacità termica areica interna periodica

Cos’è l’inerzia termica

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Trasmittanza Termica Periodica (Yie): Controllo Dei Carichi Termici Esterni

(a) Il fattore di attenuazione è il rapporto tra l’ampiezza del flusso termico uscente e quello entrante in un componente edilizio (parete o tetto). (b) Lo sfasamento dell’onda termica rappresenta il tempo con cui il picco massimo della temperatura esterna impiega ad attraversare completamente un componente edilizio.

La Yie [W/m2K] trasmittanza termica periodica (calore scambiato in regime sinusoidale da un corpo per unità di superficie e di temperatura) rappresenta sia il grado di attenuazione o fattore di decremento (a) che quello di sfasamento (b) dell’onda termica proveniente dall’esterno.

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Trasmittanza Termica Periodica (Yie): Controllo Dei Carichi Termici Esterni

La Yie [W/m2K] trasmittanza termica periodica (calore scambiato in regime sinusoidale da un corpo per unità di superficie e di temperatura) rappresenta sia il grado di attenuazione o fattore di decremento (a) che quello di sfasamento (b) dell’onda termica proveniente dall’esterno.

Parete -> Yie ≤ 0,10 W/m2K

Tetto -> Yie ≤ 0,18 W/m2K

Limiti DM 26/06/2015

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

La k1 [kJ/m2K] capacità termica areica interna periodica, rappresenta la capacità di un componente edilizio di accumulare i carichi termici provenienti dall’interno, in regime sinusoidale, per unità di superficie e temperatura. Maggiore sarà il valore della k1 (massa posta verso ultimi strati interni dell’involucro edilizio opaco), maggiore sarà l’accumulo termico.

Limiti DM 26/06/2015 -> NESSUNO Ing. Andrea Ursini Casalena

Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

L’accumulo dei carichi termici interni da parte di una parete permette di mantenere le temperature superficiali su livelli accettabili, cioè l’andamento della T superficiale interna di una parete, nell’arco della giornata, si mantiene mediamente più bassa, a favore sia delle condizioni di comfort interno che dei consumi per la climatizzazione estiva.

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

http://bit.ly/UNI13786 Calcolo proprietà dinamiche componenti opachi

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

Modello per la simulazione energetica in regimo dinamico (Energyplus)

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

Dati simulati

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Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

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Dati simulati

Capacità termica areica interna periodica (k1): Controllo Dei Carichi Termici Interni

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Parete CON isolamento termico interno k1 = 15,4 kJ/m2K

Parete SENZA isolamento termico interno k1 = 57,9 kJ/m2K

Dati sperimentali

Primi giorni di giugno

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Parete CON isolamento termico interno k1 = 15,4 kJ/m2K

Parete SENZA isolamento termico interno k1 = 57,9 kJ/m2K

03 giugno

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Dati sperimentali

Il fattore di decremento è definito come il rapporto tra il modulo della trasmittanza termica periodica e la trasmittanza in condizioni stazionarie della parete.

UY

f ie=

UfYie ×=Ing. Andrea Ursini Casalena

UNI 13786 e verifiche di legge “Attenzione alla Yie”

UNI 13786 e verifiche di legge Decreto Requisiti Minimi – Allegato 1 – DM 26/06/2015

UNI 13786 e verifiche di legge

NON VERIFICATO

Ms ≥ 230 kg/m2

oppure Yie ≤ 0,10 W/m2K

Limiti DM 26/06/2015

Ms = 177,5 kg/m2 < 230 kg/m2 Yie = 0,538 W/m2K > 0,10 W/m2K k1 = 53,4 kJ/m2K

NON VERIFICATO

Ms intonaci = 58,5 kg/m2

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UNI 13786 e verifiche di legge

NON VERIFICATO

Ms ≥ 230 kg/m2

oppure Yie ≤ 0,10 W/m2K

Limiti DM 26/06/2015

Ms = 214,5 kg/m2 < 230 kg/m2 Yie = 0,049 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 47,3 kJ/m2K

VERIFICATO

Ms intonaci = 29,5 kg/m2

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Isolamento a cappotto esterno

UNI 13786 e verifiche di legge

NON VERIFICATO Ms = 201,0 kg/m2 < 230 kg/m2 Yie = 0,071 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 11,0 kJ/m2K

VERIFICATO

Ms intonaci = 43 kg/m2

ATTENZIONE!

Ms ≥ 230 kg/m2

oppure Yie ≤ 0,10 W/m2K

Limiti DM 26/06/2015

Isolamento a cappotto interno

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ESEMPI DI STRATIGRAFIE CON MATERIALI NATURALI

Esempi di stratigrafie con materiali naturali Città = Montesilvano T esterna di progetto = 2 °C Zona climatica = D

Edificio di riferimento o ristrutturazione importante di 1 livello - Trasmittanza termica U delle strutture opache verticali, verso l’esterno, gli ambienti non climatizzati o contro terra

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Limiti U da DM 26/06/2015 edifici nuovi o ristrutturazione importanti di 1 livello (compreso ponti termici interni e metà ponti termici perimetrali)

Ristrutturazione importante di 2 livello o riqualificazione energetica - Trasmittanza termica U delle strutture opache verticali, verso l’esterno, gli ambienti non climatizzati o contro terra

Limiti DM 26/06/2015 ristrutturazione importanti di 2 livello o riqualificazione energetica

Conduttività termica balla di paglia

UNI 13786 e verifiche di legge

U = 0,158 W/m2K Fd = 0,32 φ = 10,4 ore Yie = 0,051 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 24,2 kJ/m2K

U = 0,150 W/m2K Fd = 0,04 φ = 21,8 ore Yie = 0,006 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 83,0 kJ/m2K

UNI 13786 e verifiche di legge

Parete in paglia

Parete tradizionale casa in legno

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UNI 13786 e verifiche di legge

U = 0,34 W/m2K Fd = 0,21 φ = 9,95 ore Yie = 0,071 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 11,0 kJ/m2K

Isolamento a cappotto interno

U = 0,34 W/m2K Fd = 0,09 φ = 16,71 ore Yie = 0,032 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 58,9 kJ/m2K

CALC

E e

CAN

APA

FIBR

A DI

CAN

APA

Into

naco

in a

rgill

a

UNI 13786 e verifiche di legge Isolamento a cappotto interno

Parete a cassetta con isolamento interno in EPS

Parete a cassetta con isolamento interno in canapa e calce a argilla

UNI 13786 e verifiche di legge

U = 0,26 W/m2K Fd = 0,13 φ = 10,99 ore Yie = 0,033 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 47,1 kJ/m2K

Isolamento a cappotto esterno

U = 0,26 W/m2K Fd = 0,07 φ = 17,40 ore Yie = 0,018 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 46,6 kJ/m2K

9 + 0,5 cm 20 + 4 cm

UNI 13786 e verifiche di legge Isolamento a cappotto esterno

Parete a cassetta con isolamento esterno in EPS

Parete a cassetta con isolamento esterno in paglia pressata

UNI 13786 e verifiche di legge

Gestisce bene i carichi termici interni

Limita le oscillazioni giornaliere della temperatura superficiale interna a favore di comfort e consumi estivi

U = 0,150 W/m2K Fd = 0,04 φ = 21,8 ore Yie = 0,006 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 83,0 kJ/m2K

UNI 13786 e verifiche di legge

U = 0,150 W/m2K Fd = 0,04 φ = 21,8 ore Yie = 0,006 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 83,0 kJ/m2K

Gestisce bene l’umidità interna

L’intonaco a base di argilla è un volano termo-igrometrico. Assorbe molta umidità e in tempi brevi. Garantisce comfort interno e limita i problemi legati agli sbalzi di umidità relativa interna.

UNI 13786 e verifiche di legge

Valutazione in regime variabile oraria su isolanti igroscopici in accordo con EN ISO 15026 Software WUFI Pro distribuito da Fraunhofer IBP

Assenza di barriera al vapore interna U = 0,34 W/m2K Fd = 0,09 φ = 16,71 ore Yie = 0,032 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 58,9 kJ/m2K

CALC

E e

CAN

APA

FIBR

A DI

CAN

APA

Into

naco

in a

rgill

a

UNI 13786 e verifiche di legge

U = 0,150 W/m2K Fd = 0,04 φ = 21,8 ore Yie = 0,006 W/m2K < 0,10 W/m2K k1 = 83,0 kJ/m2K

Completa assenza di Composti Organici Volatili

Direttiva 2004/42/CE - Decreto Legislativo 27 marzo 2006 n.161 su: Limitazione delle emissioni di VOCs dovuti all’uso di solventi organici in alcune vernici e pitture (2006).

Assenza di COV

Un edificio a energia quasi zero può essere anche ecologico

Grazie per l’attenzione

Ing. Andrea Ursini Casalena