Politecnico di Torino Dipartimento di Energetica
Laboratorio di Combustione “Cesare Codegone”
ELEMENTI DI COPERTURA RAZIONALITA’ ENERGETICA CAPACITA’ STRUTTURALE DURATA E SMALTIMENTO Prof. E. Cafaro
ELEMENTO DI COPERTURA: Funzioni del Dispositivo Il tetto a falde, in accordo con il pensiero dell’architetto storico M. Vitruvio, dell’architetto filosofo L. B. Alberti, dell’architetto pratico A. Palladio, nonchè dell’erudito E. Viollet-le-Duc, è chiamato a svolgere una duplice funzione: •fornire, nell’ambito di una armonica composizione architettonica, la naturale conclusione allo sviluppo verticale del tipo edilizio; •preservare l’ambiente interno dall’azione importuna e lesiva degli agenti atmosferici.
QUALITA’ COSTRUTTIVA DI UN ELEMENTO DI COPERTURA Principi Guida di Progettazione L’evoluzione della tecnologia costruttiva degli elementi di copertura ha subito una significativa accelerazione solo in anni recenti nel solco dell’attuale filosofia costruttiva delle facciate ove tecnologia ed estetica interagiscono in modo sinergico assumendo come principi guida: •progettazione multifunzionale dell’elemento architettonico; •ri-funzionalizzazione degli elementi strutturali e dei materiali da costruzione; •valorizzazione della fase di realizzazione e di mantenimento del costruito.
QUALITA’ COSTRUTTIVA DI UN ELEMENTO DI COPERTURA Green Economy Nei tempi maturi della green economy, la mutazione è il risultato della lenta affermazione di una diversa scala di valori, che investe l’intera società. Gli elementi di copertura si evolvono come dispositivi di: •isolamento ottimale di un oggetto edilizio diventato sempre più costoso ed esigente; •supporto degli impianti solari termici e fotovoltaici.
QUALITA’ COSTRUTTIVA DI UN ELEMENTO DI COPERTURA Una copertura ben progettata e ben realizzata implica: •soddisfazione del committente; •risparmio energetico ed economico… … sia in termini di contenziosi che di riparazioni. I progettisti, generalmente, sono persone informate sui fatti che: •utilizzano le informazioni tecniche fornite dalle aziende produttrici dei diversi strati funzionali costituenti il dispositivo; •delegano fasi del processo di installazione alle imprese esecutrici, riconoscendo ad esse una presunta esperienza derivante dalla permanenza sul mercato. Pur non tralasciando questi apporti conoscitivi importanti, il tecnico deve: •applicare senso critico nella lettura dei dati dichiarati nelle schede di prodotto; •maturare un’autonoma consapevolezza progettuale e costruttiva.
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Copertura isolata con poliuretano espanso, microventilata, realizzata con manto discontinuo in laterizio, idonea per posa in opera su solaio inclinato in laterocemento. MISSIONE DELL’UNITA’ FUNZIONALE •Risparmio energetico / comfort termico: isolamento termico, microventilazione sottotegola; •Resistenza strutturale: resistenza al carico di esercizio, compatibilità dilatazioni termiche, accessibilità in fase di posa e manutenzione; •Durata e smaltimento: attesa di vita confrontabile con la durata media dell’edificio, utilizzo di materiali riciclabili.
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Manufatti Commerciali
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Proprietà Termofisiche dei materiali
Strat o Isola nte Elem enti Supp orto
Material Densit Calore à Specifi e co (kg/ Plastico 20 1350 m3) (J/ 60 1450 (poliuret kgK) ano, Naturale 50 - 1000 – polistire (legno e 100 2000 ne) derivati, 200 - 2500 lane Legno 500 3000 minerali) Leghe 3000 - 400 metallic 8000 800
Condu cibilità Termic 0,024 a – (W/ 0,045 mK)– 0,04 0,1 0,1 – 0,2 50 200
Coeffic iente Dilataz 8e-5 ione– 12e-5 Linear e 5e-5 – (m/ 7e-5 mK) 6e-5 1e-5 – 3e-5
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Prestazioni Termiche dello Strato Isolante
Kpoliuretano = 0.025 W/ mK S = 0,100 m ϕ = 6,450 W/m2
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO
Prestazioni Termiche dello Strato Isolante con supporto in Legno
Kpoliuretano = 0.025 W/ mK Ksupporto = 0,045 W/ mK S = 0,100 m ϕ = 6,950 W/m2
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO
Prestazioni Termiche dello Strato Isolante con supporto in Lega Metallica
Kpoliuretano = 0.025 W/ mK Ksupporto = 50 W/mK S = 0,100 m ϕ = 6,850 W/m2
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Microventilazione Sotto Tegola
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO
Prestazioni termiche dell’unità funzionale con Supporto in Legno
L=4m Θ = 30° H = 0,06 m Te = -8 °C Ti = 20 °C ϕconvettiva = 3,800 W/ m2 ϕtotale = 7,300 W/m2
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO
Prestazioni termiche dell’unità funzionale con Supporto in Legno
L=4m Θ = 30° H = 0,06 m vmax = 0,170 m/s ϕconvettiva = 3,800 W/ m2 ϕtotale = 7,300 W/m2
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO
Prestazioni termiche dell’unità funzionale con Supporto in Lega Metallica
L=4m Θ = 30° H = 0,06 m Te = -8 °C Ti = 20 °C ϕconvettiva = 3,500 W/ m2 ϕtotale = 7,200 W/m2
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO
Prestazioni termiche dell’unità funzionale con Supporto in Lega Metallica
L=4m Θ = 30° H = 0,06 m vmax = 0,140 m/s ϕconvettiva = 3,500 W/ m2 ϕtotale = 7,200 W/m2
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Durata del Materiale isolante
• Umidità
L’umidità influenza le prestazioni dei materiali isolanti: •l’utilizzo di materiali isolanti caratterizzati da una griglia polimerica fine, ovvero, ottenuti insufflando nel materiale isolante pentano, ciclo-pentano, HFC-245, riduce gli effetti negativi dell’umidità sulle prestazioni; l’utilizzo del pentano e del ciclo pentano, tuttavia, modifica il comportamento al fuoco del materiale isolante. •la conducibilità termica del poliuretano tende a degradare nel tempo in ragione del 15% rispetto alle prestazioni possedute dal materiale vergine. Il tempo di assestamento della conducibilità termica dei materiali isolanti plastici al valore di esercizio è compreso tra i 3 ed i 7 anni.
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Durata degli Elementi di Supporto in Legno
• Ciclo di assorbimento/desorbimento Le prestazioni degli elementi di supporto in legno variano ciclicamente nel tempo in funzione di: •umidità dell’ambiente •manifattura dei supporti Ciclo di Isteresi
Contrazione delle Fibre
Umidificazione Annua
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Durata nel Tempo delle Leghe Metalliche
• Corrosione superficiale e passivazione La corrosione superficiale dei metalli è determinata dal processo di ossidazione che si instaura quando essi sono esposti ad ambienti umidi ed inquinati. Il processo di ossidazione genera sulla superficie dei manufatti in leghe metalliche una patina ad azione protettiva rispetto all’aggressione degli elementi nocivi presenti in ambiente. Il processo di ossidazione può essere indotto in fase di produzione del manufatto (passivazione). La passivazione di una lega metallica, tuttavia, può non essere sufficiente per proteggere il materiale in ambienti ostili come l’aria inquinata o l’acqua di mare dove è possibile si inneschi il processo di corrosione elettrolitica.
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Durata nel Tempo delle Leghe Metalliche
• Corrosione elettrolitica
Il processo di corrosione elettrolitica si innesca in modo naturale quando mettiamo a contatto due metalli caratterizzati da differenti potenziali di riduzione: •il metallo con potenziale minore, detto anodo, si consuma; •il metallo con potenziale maggiore, detto catodo, si preserva. La condensazione superficiale funge da catalizzatore del processo di corrosione elettrolitica. Pericolosità della Condensazione ed importanza della
Reazione Anodica:
Reazioni Catodiche:
previsione dei siti
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Durata nel Tempo delle Leghe Metalliche Lo Zinco non è eterno!
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Resistenza Strutturale ed Accessibilità Analisi sito di posa
Prove di resistenza
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO Riciclaggio dei Materiali Materiale Plastico (poliuretano, Strato Naturale Isolante polistirene) (legno e derivati, minerali) Elementi laneLegno Support Leghe o metalliche
Durata attesa (anni) 25 – 60 25 – 30 > 100 5 (Zn 45 μm)
Destinazio ne Fine vita Riutilizzo Termovalor izzazione Riutilizzo Termovalor izzazione Riutilizzo Termovalor izzazione Recupero Smaltiment
UNITA’ FUNZIONALE DI RIFERIMENTO D. Lgs. 311 / 06 Sono state considerate tre aree climatiche diverse, per cui gli spessori ed il tipo di isolante sono stati scelti al fine di soddisfare i requisiti energetici delle seguenti zone climatiche, definite in base al D.Lgs. 311 del 2006: •zona B: Italia meridionale •zona D: Italia centrale •zona E: Italia settentrionale
Quantità di Unità Zona Zona Zon materiale Misur B D a0,42E Requisito D. Lgs. 311per 1 m2 W/m2K 0,32 0,35 Listelli indi legno di abete di supporto per cm 4 4 4 copertura a microventilazione sotto tegola
Guaina impermeabilizzante traspirante in HDPE
cm
0,4
0,4
0,4
Isolante in lana di legno mineralizzata
cm
2,0
2,0
1,5
Isolante in polistirene espanso
cm
5,0
8,0
9,0
CONCLUSIONI I sistemi termoisolanti analizzati:
•consentono di ottemperare ai dettami di legge in materia di Risparmio Energetico come stabilito nel D. Lgs. 311 e successive modifiche; •utilizzano materiali caratterizzati da: leggerezza e manovrabilità che rendono le operazioni di installazione in quota rapide, semplici e precise prestazioni termiche e strutturali inalterate per un periodo non inferiore a 10 anni sostenibilità ambientale in termini di riciclaggio e smaltimento in discarica
CONCLUSIONI L’analisi comparata dei sistemi termoisolanti sotto copertura analizzati consente di affermare che: •le trasmittanze termiche globali dei due sistemi sono uguali; •la microventilazione è localmente influenzata in modo significativo dal profilo e dalle proprietà dei materiali con i quali sono realizzati gli elementi di supporto, senza che essi influiscano in modo significativo sulle prestazioni energetiche globali; •le prestazioni strutturali e la durata dei sistemi termoisolanti aventi elementi di supporto realizzati con leghe metalliche tendono a degradare in tempi significativamente inferiori rispetto alla vita media attesa dell’edificio determinati da processi fisico-chimici inalienabili con conseguenti maggiori oneri di manutenzione rispetto ai sistemi che utilizzino elementi di supporto in materiali naturali la cui vita media è confrontabile con quella dell’involucro edilizio protetto; •i costi di produzione dei sistemi che utilizzano materiali naturali nella realizzazione degli elementi di supporto possono essere ridotti in maniera significativa attraverso lo studio approfondito dei processi di scambio termico all’interno dello strato isolante
PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE Interpolazione delle Temperature Invernali (ZONA E)
PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE
Danno Atteso per Dimensionamento al Massimo Incidente Credibile o all’85%
PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE
Risparmio Energetico in Funzione della Trasmittanza dell’Edificio
PROGETTAZIONE PRESTAZIONALE