Prestazioni dell’Involucro e Proprietà dei Materiali

Fin qui (unità H) abbiamo verificato la capacità degli elementi strutturali di resistere ai carichi. Un edificio deve però rispondere anche a un’altra famiglia di sollecitazioni, non meno esigente: quelle climatiche — differenze di temperatura, vapore d’acqua, rischio di incendio — che agiscono sull’involucro edilizio, l’insieme degli elementi (pareti, coperture, serramenti) che separa l’ambiente interno da quello esterno.

Le prestazioni energetiche dell’involucro condividono, sorprendentemente, la stessa logica generale già vista per le sezioni resistenti: una proprietà del materiale (qui non più modulo elastico o resistenza, ma conducibilità termica, densità, calore specifico…) messa in relazione con la geometria dell’elemento (qui: spessore degli strati) per ottenere una prestazione complessiva da confrontare con un limite — non più una tensione ammissibile, ma una trasmittanza termica.

Il calore attraversa l’involucro secondo tre modalità fisicamente distinte — conduzione, convezione, irraggiamento — spesso presenti insieme nello stesso elemento, ma governate da leggi diverse. La prima, la conduzione, è la trasmissione di calore all’interno di un materiale solido, per contatto molecolare, senza movimento macroscopico di materia: è il meccanismo dominante attraverso pareti, solai e coperture.

dove λ è la conducibilità termica del materiale [W/(m·K)], A l’area attraversata, ΔT la differenza di temperatura tra le due facce, s lo spessore. Più λ è basso, meglio il materiale isola.

La convezione è lo scambio di calore tra una superficie solida e un fluido (aria) in movimento a contatto con essa: naturale se il moto è generato dalle differenze di densità dell’aria stessa (aria calda che sale), forzata se il moto è indotto da una causa esterna (vento, ventilazione meccanica).

dove h è il coefficiente liminare (o di adduzione) [W/(m²·K)]. Per superfici verticali, in condizioni convenzionali (UNI EN ISO 6946): h_i ≈ 7,7 W/(m²·K) lato interno, h_e ≈ 25 W/(m²·K) lato esterno — molto più alto, perché all’esterno il vento aumenta lo scambio convettivo. Il coefficiente varia anche con la direzione del flusso: ascendente h_i ≈ 10, discendente h_i ≈ 5,9.

L’irraggiamento è lo scambio di calore tra superfici a temperatura diversa tramite onde elettromagnetiche, senza bisogno di alcun mezzo materiale interposto (avviene anche nel vuoto — è così che il Sole scalda la Terra).

dove ε è l’emissività della superficie (0 ≤ ε ≤ 1: quanto efficacemente la superficie irraggia rispetto a un corpo nero ideale) e T la temperatura assoluta.

Per un singolo strato omogeneo di spessore s e conducibilità λ, si definisce la resistenza termica:

Più R è alto, meglio lo strato isola: a parità di materiale (λ fisso), R cresce con lo spessore; a parità di spessore, R cresce quanto più il materiale è isolante (λ basso). Quando più strati sono sovrapposti nello stesso elemento, le loro resistenze si sommano — un principio dello stesso tipo di quello delle resistenze elettriche in serie, o della sovrapposizione dei contributi di elementi diversi già incontrata, in altra forma, nella sezione composta di H4.

La grandezza che descrive la prestazione termica complessiva di una parete multistrato è la trasmittanza termica U, l’inverso della resistenza termica totale:

dove R_si e R_se sono le resistenze liminari interna ed esterna, reciproche dei coefficienti h_i e h_e della tavola 03 (R_si = 1/h_i ≈ 0,13 m²·K/W; R_se = 1/h_e ≈ 0,04 m²·K/W, per flusso orizzontale).

La massa volumica (o densità) ρ = m/V [kg/m³] non entra nel calcolo di R e U, ma è decisiva per un’altra prestazione dell’involucro: la sua inerzia termica (tavola 10). A parità di spessore, un materiale denso (muratura, calcestruzzo) ha una massa termica ben maggiore di uno leggero (isolanti in EPS o lana minerale).

Il calore specifico c [J/(kg·K)] misura la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 K la temperatura di 1 kg di materiale: insieme alla densità ρ e allo spessore s, determina quanta energia termica uno strato è in grado di accumulare.

Materiali con ρ·c·s elevato (murature, calcestruzzo) accumulano molta energia a parità di variazione di temperatura; materiali leggeri (isolanti) ne accumulano pochissima — un buon isolante (R alto) è quasi sempre anche un pessimo accumulatore di calore (ρ·c basso): sono due prestazioni diverse, spesso in tensione tra loro nella stessa scelta di materiale.

La capacità termica areica della tavola 09 governa due effetti dinamici, non colti dal solo calcolo stazionario di U: lo sfasamento (il ritardo temporale con cui l’onda di calore esterna si ripercuote sulla superficie interna: un valore ideale spesso citato è dell’ordine di 12 ore, così che il picco di calore estivo esterno raggiunga l’interno di notte) e il fattore di attenuazione (la riduzione dell’ampiezza dell’oscillazione termica nell’attraversare la parete).

Oltre al calore, attraverso l’involucro migra anche vapore d’acqua, spinto dalla differenza di pressione parziale di vapore tra interno ed esterno. La resistenza di un materiale a questo passaggio si esprime con il fattore di resistenza alla diffusione del vapore μ, adimensionale: indica quante volte un materiale è più resistente al vapore rispetto a uno strato di aria ferma di pari spessore (μ_aria = 1, per definizione).

Se il vapore che attraversa la parete incontra, in uno strato interno, una temperatura abbastanza bassa da far scendere la pressione di saturazione sotto la pressione di vapore effettiva, il vapore condensa all’interno della parete stessa: è la condensa interstiziale, potenzialmente dannosa per isolanti e strutture.

Il metodo di Glaser (norma di riferimento UNI EN ISO 13788) verifica questo rischio per via grafica: si costruisce, strato per strato, il profilo della pressione di vapore effettiva e lo si confronta con il profilo della pressione di saturazione (legata alla temperatura, calcolata a sua volta con lo stesso procedimento a resistenze in serie della tavola 06). Se le due curve si intersecano all’interno della parete, si ha condensa nel punto di intersezione.

dove S_d è lo “spessore d’aria” che offrirebbe la stessa resistenza al vapore dello strato reale — la stessa idea di resistenze in serie della tavola 05/06, applicata questa volta al vapore anziché al calore.

Per i materiali da involucro, in particolare gli isolanti, la resistenza meccanica è una prestazione secondaria rispetto a quella termica — ma non trascurabile, quando lo strato deve sopportare un carico (isolamento sotto pavimento, coperture piane calpestabili). Si misura, per gli isolanti, secondo la norma EN 826, come tensione σ₁₀ corrispondente al 10% di deformazione, espressa tipicamente in kPa anziché in MPa.

La reazione al fuoco descrive il contributo di un materiale allo sviluppo di un incendio (non va confusa con la resistenza al fuoco, che riguarda invece la capacità portante nel tempo — non trattata in questa lezione). Si classifica secondo le Euroclassi della norma EN 13501-1:

Alla lettera dell’Euroclasse (tavola 14) si affiancano due classificazioni aggiuntive, riportate insieme nella sigla completa di un prodotto (per esempio: B-s1,d0):

Un prodotto B-s1,d0 è quindi un materiale di classe B, con bassissima produzione di fumo e nessun gocciolamento infiammato — la sigla completa, non la sola lettera principale, è ciò che va sempre verificato in fase di scelta dei materiali per l’involucro.

Quattro problemi per verificare la comprensione degli argomenti della lezione.

• L’involucro edilizio deve rispondere a sollecitazioni climatiche (calore, vapore, fuoco), con la stessa logica generale — proprietà del materiale + geometria → prestazione verificata contro un limite — già vista per le sezioni resistenti (H)
• Il calore si trasmette per conduzione (q=λ·A·ΔT/s, entro i solidi), convezione (q=h·A·ΔT, tra superficie e aria) e irraggiamento (q=ε·σ·T⁴, tra superfici a distanza)
• Ogni strato ha una resistenza termica R = s/λ; sommando le resistenze di tutti gli strati più quelle liminari si ottiene R_tot, e la trasmittanza U = 1/R_tot — la prestazione termica complessiva della parete
• Massa volumica ρ e calore specifico c determinano la capacità termica areica (≈ρ·c·s), che governa sfasamento e attenuazione: prestazioni dinamiche distinte da U
• La resistenza alla diffusione del vapore (fattore μ, valori spesso discordanti in letteratura — verificare sempre la scheda tecnica) e il metodo di Glaser (UNI EN ISO 13788) verificano il rischio di condensa interstiziale
• La resistenza alla compressione degli isolanti si misura secondo EN 826 in kPa — ordini di grandezza molto inferiori ai materiali strutturali di H1-H4
• La reazione al fuoco si classifica con le Euroclassi EN 13501-1 (A1-F), completate dalle classi aggiuntive s (fumo) e d (gocciolamento)