neo-Eubios 68 - I vantaggi di un sistema isolante ventilato: misure in opera delle performance di sistemi isolanti ventilati e non ventilati

di Graziano Salvalai, Simone Pruneri

Introduzione

Il presente articolo descrive e raccoglie i risultati delle misure in opera effettuate all’interno di due box sperimentali assemblati all’interno dell’area “test facility” dell’azienda Brianza Plastica S.p.a. sita in Via Rivera 50 a Carate Brianza, in collaborazione con il Politecnico di Milano. La riduzione del fabbisogno di energia di un edificio dipende in fase invernale dalle qualità resistive dell’involucro opaco, mentre in fase estiva dipende anche dalla capacità termica degli elementi che lo costituiscono e dalla loro posizione. Nel DM 26/06/2009 si classificano le prestazioni dell’involucro in base allo sfasamento e all’attenuazione dell’onda termica, mentre nel DM 26/06/2015 le prestazioni dell’involucro vengono definite tenendo conto della trasmittanza termica periodica e del rapporto tra area solare equivalente su superficie utile. La risposta dell’involucro alle sollecitazioni estive non è però di facile determinazione a causa del regime non stazionario delle condizioni ambientali; per questo, soprattutto per sistemi a “facciata ventilata”, sono necessarie delle misure in opera per indagarne il reale comportamento. Inoltre i software di calcolo termico ad oggi in uso non tengono conto, con il calcolo in regime orario, del contributo in termini di sfasamento dell’intercapedine di ventilazione, ma solo dell’esiguo contributo in termini di resistenza termica. Obiettivo di Brianza Plastica è stato quindi valutare il comportamento in fase estiva del sistema a facciata ventilata costituito dal sistema ISOTEC PARETE, pannello in poliuretano rivestito in alluminio goffrato e preassemblato ad un profilo forato metallico (Figura 1), rispetto a soluzioni isolate non ventilate che impiegano materiali a bassa densità (da qui in poi nominati “leggeri”) ed ad alta densità (da qui in poi nominati “massivi”).

Figura 1: pannello ISOTEC PARETE

I test condotti sono quattro e di seguito elencati:

• Test 1: confronto tra ISOTEC PARETE e sistema isolato non ventilato “leggero”, per il periodo tra il 13 ed il 28 Luglio 2016;

• Test 2: confronto tra ISOTEC PARETE e sistema isolato non ventilato “massivo”, per il periodo tra il 7 settembre ed il 5 ottobre 2016;

• Test 3: confronto tra ISOTEC PARETE e sistema isolato non ventilato “massivo”, con attivazione di estrattore di aria, per il periodo tra il 1 ed il 30 giugno 2017;

• Test 4: confronto tra ISOTEC PARETE e sistema isolato non ventilato “massivo”, con attivazione di raffrescamento, per il periodo tra il 28 luglio ed il 28 agosto 2017.

Descrizione dell’edificio sperimentale Il box sperimentale è rappresentato da un edificio realizzato in CLT (Cross Laminated Timber) suddiviso all’interno in due camere distinte di uguale geometria, con l’asse principale orientato secondo la direzione est-ovest (figure 2-3). I pannelli portanti d’involucro in CLT sono composti da tre strati di tavole in legno di conifera reciprocamente incrociati ed incollati, di spessore totale 100 mm. Le grandezze fisico tecniche della struttura in legno sono di seguito riportate:

• conducibilità termica: 0,13 W/mK

• coefficiente di resistenza alla diffusione del vapore μ: 50

• densità: 550 kg/mc

• capacità termica specifica: 1600 J/kgK Dal punto di vista geometrico le due camere test presentano una superficie in pianta pari a 5,18 m 2 mentre la copertura e la parete rivolta a sud, entrambe oggetto di misurazioni, presentano una superficie rispettivamente pari a 6,6 m 2 e 4,6 m 2 (figure 4-5).

Figura 2: pianta e sezione box campione nell’area “test facility” di Brianza Plastica

Figura 3: prospetti box campione nell’area “test facility” di Brianza Plastica

Descrizione delle soluzioni tecnologiche

Sulla camera Est è stato applicato ISOTEC PARETE da 120 mm sulle pareti e ISOTEC XL sulla copertura. Nella camera Ovest sono stati applicati sistemi isolati non ventilati, con spessori diversi, a parità di comportamento invernale (conduttanza). Nel test 1 è stato applicato nel box Ovest un sistema isolato non ventilato “leggero” di spessore 160 mm. Nel test 2 è stato applicato nel box Ovest un sistema isolato non ventilato “massivo” di spessore 200 mm. I primi due test hanno lo scopo di evidenziare il comportamento di un sistema isolato e ventilato e di confrontarlo con sistemi isolati non ventilati. I due test successivi nascono dalla valutazione dei risultati dei primi due test e dalla constatazione che si dovesse avvicinare il comportamento del box a quello di un’utenza reale (come ad esempio l’azione di chiusura e apertura delle finestre) per la riduzione delle temperature interne in fase notturna. Nel test 3 si è inserito in ciascun box un estrattore d’aria meccanico, sempre mantenendo le due soluzioni isolanti del test 2. Nel test 4, sempre mantenendo le stesse applicazioni del test 2, sono stati inseriti due terminali per il raffrescamento, uno per box, per simulare l’accensione dell’impianto di condizionamento estivo di un’utenza. La finitura superficiale della Camera Est è realizzata con lastra in fibrocemento porta-intonaco, con rete applicata rasata e intonacata, mentre nella Camera Ovest gli isolanti sono stati rifiniti con rete porta intonaco e rasante. Entrambe le finiture presentano un’emissività pari a 0,96. La misura in opera delle prestazioni dei sistemi è stata condotta attraverso strumenti e sensori in grado di rilevare le condizioni puntuali di temperatura superficiale dei materiali impiegati e le condizioni ambientali interne ed esterne. Per la chiusura verticale a Sud sono state inserite delle termocoppie ad ogni cambio di materiale della stratigrafia per verificare le temperature ai vari livelli. Nella intercapedine ventilata sono stati invece inseriti due anemometri a filo caldo, uno alla base e uno in sommità della parete a distanza di 2 m, per verificare l’intensità del flusso d’aria. Le condizioni ambientali esterne sono state rilevate attraverso un termoigrometro per le misura della temperatura e dell’umidità dell’aria ed un piranometro posizionato in aderenza alla facciata per misurare la radiazione solare globale sul piano verticale. I sensori sono collegati a due centri di raccolta ed elaborazioni dati connessi via web.

Figura 4: prospetto frontale box campione nell’area “test facility” di Brianza Plastica

Figura 5: angolo Est box campione nell’area “test facility” di Brianza Plastica

Test 1

Il test 1 confronta una soluzione isolata e ventilata con ISOTEC PARETE con una soluzione non ventilata con isolante “leggero”. Sono state confrontate le temperature superficiali di ciascun strato di parete, quelle interne, i valori di radiazione incidente e le condizioni ambientali per valutare il comportamento delle due soluzioni. Il pacchetto tecnologico con ISOTEC PARETE permette una buona attenuazione ed un adeguato sfasamento dell’onda termica, determinando temperature interne ridotte di circa 10-14°C rispetto all’esterno (figura 6) con uno sfasamento di 10 h e 5’. Analizzando le temperature registrate sulla superficie esterna di ISOTEC PARETE e sulle superfici interna ed esterna del telaio in CLT, in giornate a temperature dell’aria esterna elevate, si è visto che l’effetto combinato dello schermo arretrato e della ventilazione determina una riduzione delle temperature tra la lastra in fibrocemento e la superficie esterna dell’isolante di circa 8°C. Inoltre il poliuretano concorre ad un’ulteriore riduzione del carico termico sulla parete di CLT, sfasando l’onda termica di 4h e 35 minuti, con il massimo carico termico in ingresso nelle ore serali, quando le temperature esterne iniziano a calare. La soluzione non ventilata presenta uno sfasamento delle temperature superficiali tra isolante e CLT di 2 ore inferiore (Figura 7). Durante le ore notturne inoltre, sia la lastra in fibrocemento che l’ISOTEC PARETE rilasciano l’energia termica contemporaneamente e con la stessa intensità, a dimostrazione del fatto che la presenza della ventilazione attua un vero e proprio “lavaggio” dell’intercapedine.

La velocità dell’aria nell’intercapedine passa da 0,01 m/s, in momenti a temperature ambiente di 17-18°C, ad un valore di 0,05 m/s durante le ore di massima insolazione; tale differenza trova spiegazione nel fatto che i movimenti d’aria sono innescati dai moti convettivi, che aumentano all’aumentare della differenza di temperatura (Figura 8). Confrontando le due soluzioni si evince che in giorni particolarmente caldi con gradienti di temperatura molto elevati, i carichi termici sono eccessivi e nessuna delle due soluzioni è in grado di dissiparli durante le ore notturne. In giornate invece in cui l’escursione termica giornaliera è meno accentuata, la soluzione ventilata con ISOTEC PARETE determina livelli di temperatura interna inferiori rispetto all’altra soluzione non ventilata. La presenza di schermo avanzato e ventilazione favorisce l’abbassamento della temperatura interna rispetto alla soluzione non ventilata di 0,3°C-0,6°C e le temperature superficiali dell’intonaco sulla soluzione ventilata sono sempre più basse di almeno 3-4°C rispetto alla soluzione non ventilata. I dati misurati in parete trovano pieno riscontro in quelli misurati a tetto. È stata condotta un’indagine con la termocamera per analizzare la distribuzione delle temperature superficiali per le due soluzioni tecnologiche (Figura 9). Le condizioni ambientali del 3 Agosto 2016, giorno in cui è stato fatto il rilevamento, alle 10.30 sono le seguenti:

• Temperatura ambiente esterno: 29,4°C;

• Umidità relativa esterna: 50%:

• Temperatura interna: Camera Est: 25.7°C; Camera ovest: 25.9°C:

• Vento: assente;

• Condizione cielo: sereno;

• Radiazione incidente sulla parete: 114 W/m2;

• Obiettivo: FOL 13 (FOV 45°x30°);

• Emissività: 0.96.

Si evidenzia una buona omogeneità della distribuzione della temperatura per entrambe le soluzioni. La soluzione non ventilata presenta temperature superficiali di 2,5-3°C superiori a quelle della soluzione con ISOTEC PARETE, a conferma di quanto riportato in precedenza. La presenza dello schermo protettivo permette una riduzione dei flussi di energia per trasmissione attraverso la parete, con riduzione dei picchi prossimi al 50% nelle giornate con radiazione solare superiore a 500 W/m 2 , con una conseguente riduzione del consumo di energia necessaria a mantenere una temperatura interna confortevole. Rispetto ai calcoli statici, la presenza dello schermo protettivo determina un incremento delle prestazioni di attenuazione e sfasamento.

Figura 9: Test 1 – indagine con termo-camera

Test 2

Il test 2 confronta una soluzione isolata e ventilata con ISOTEC PARETE con una soluzione non ventilata con isolante “massivo”. Sono state confrontate le temperature superfi ciali di ciascun strato di parete, quelle interne, i valori di radiazione incidente e le condizioni ambientali per valutare il comportamento delle due soluzioni, tra il 7 settembre ed il 5 ottobre - in presenza quindi di condizioni tipicamente estive - e tra il 22 ottobre ed il 9 novembre - in condizioni tipicamente autunnali. La soluzione ventilata ottiene una buona attenuazione, un buon sfasamento in fase estiva ed un contenimento della variazione di temperatura in fase autunnale. I test di confronto permettono di rapportare i risultati per un materiale “massivo” e quindi con maggior capacità termica rispetto all’isolante in poliuretano leggero. Analizzando il lato esterno di entrambe le tecnologie, è visibile come lo strato di intonaco della facciata ventilata con ISOTEC PARETE raggiunga temperature sempre inferiori rispetto a quelle raggiunte dalla soluzione non ventilata. La schermatura offerta dalla fi nitura di facciata determina una riduzione delle temperature massime sulla superfi cie isolante in media pari a 14°C durante giornate con radiazione incidente pari a 500 W/m 2 e di circa 10-11 °C nel caso di giornate con cielo nuvoloso (Figura 10). È stata condotta un’indagine con la termocamera per analizzare la distribuzione delle temperature superficiali per le due soluzioni tecnologiche (Figura 11).

Le condizioni ambientali del 6 Ottobre 2016, giorno in cui è stato fatto il rilevamento, alle 13.51 sono le seguenti:

• Temperatura ambiente esterno: 17°C;

• Umidità relativa esterna: 65%;

• Vento: assente;

• Condizione cielo: sereno;

• Radiazione incidente sulla parete: 718 W/m2;

• Obiettivo: FOL 13 (FOV 45°x30°);

• Emissività: 0.96.

In giornate con elevata radiazione solare diretta, la porzione di box con soluzione non ventilata presenta temperature superficiali di 6-8°C superiori rispetto alla soluzione ventilata con ISOTEC PARETE. La differenza è ovviamente ridotta nel caso di giornate con cielo coperto. Il confronto delle due soluzioni ha evidenziato uno sfasamento simile per le due soluzioni: 10.29 h per la soluzione con ISOTEC PA- RETE e 11.8 h per la soluzione non ventilata ed attenuazioni rispettivamente di 0.10 e 0.06.

Figura 11: Test 2 - indagine con termo-camera

Nei periodi molto caldi il materiale “massivo” ha determinato livelli di temperatura superficiale interna di parete ridotti solo dell’1% e, a causa della maggiore capacità termica, anche una riduzione della temperatura più lenta. La soluzione a facciata ventilata con ISOTEC PARETE, attraverso l’effetto schermante e la ventilazione, determina un minor stress termico dell’isolante (Figure 12-13).

Test 3

Il test 3 confronta una soluzione isolata e ventilata con ISOTEC PARETE con una soluzione non ventilata con isolante “massivo”, con estrattore meccanico d’aria attivato in entrambe le camere. Sono state confrontate le temperature superficiali di ciascun strato di parete, quelle interne, i valori di radiazione incidente e le condizioni ambientali per valutare il comportamento delle due soluzioni, tra il 17 ed il 27 giugno 2017.

Dal punto di vista dei materiali, il test 3 replica il test 2, ma è stato introdotto un estrattore meccanico per smaltire il calore accumulato, come potrebbe fare l’utente aprendo le finestre. Questa esigenza è nata dalla costatazione che, nei giorni particolarmente caldi, nessuna delle soluzioni istallate riusciva a smaltire il calore e mantenere all’interno dei box una temperatura di comfort. Il raggiungimento di un eccessivo carico termico diurno rendeva impossibile la dissipazione dell’energia nelle ore notturne. La ventilazione notturna, quindi, aumenta la velocità di esportazione del calore, permettendo una riduzione delle temperature interne. Le temperature delle due superfici esterne presentano gli stessi valori del test 2, così come quelle sulla parte esterna del CLT, in quanto non risentono della presenza dell’estrattore (Figure 10-12-13). Le due soluzioni presentano uno sfasamento analogo, nonostante il poliuretano abbia una massa di circa 4 volte inferiore rispetto all’isolante “massivo” della soluzione non ventilata. La soluzione ventilata con ISOTEC PARETE evidenzia uno scarico del calore più rapido, grazie all’uso combinato di schermo avanzato e ventilazione (Figure 14-15).

Test 4

Il test 4 confronta una soluzione isolata e ventilata con ISOTEC PARETE con una soluzione non ventilata con isolante “massivo”, con estrattore meccanico d’aria attivato in entrambe le camere. Sono state confrontate le temperature superficiali di ciascun strato di parete, quelle interne, i valori di radiazione incidente e le condizioni ambientali per valutare il comportamento delle due soluzioni, tra il 28 luglio ed il 28 agosto 2017. Dal punto di vista dei materiali, il test 4 replica il test 2, ma è stata introdotta un’unità per il raffrescamento, per simulare l’utilizzo di un impianto di condizionamento da parte dell’utenza. Questa esigenza nasce dalla constatazione che nel test 3 l’estrattore riusciva ad abbassare le temperature interne di circa 7-8°C a fronte di temperature dell’aria esterna inferiori ai 4°C, mentre perdeva di efficacia per temperature intorno ai 23°C, riuscendo ad abbassare la temperatura interna di soli 4°C. Le temperature delle due superfici esterne presentano lo stesso comportamento del test 2 e del test 3, così come quello delle temperature sulla parte esterna del CLT, in quanto non risentono della presenza dell’estrattore (Figure 10-12-13). La maggior massa della soluzione tecnologica non ventilata e con isolante “massivo” è mediamente penalizzante in giornate con temperature esterne superiori ai 35°C, in quanto il condizionatore fatica ad abbassare la temperatura interna rispetto alla soluzione ventilata con ISOTEC PARE- TE (Figura 16). Lo sfasamento delle due soluzioni è analogo, così come per il test 2, sempre considerando la massa 4 volte inferiore del poliuretano rispetto all’isolante massivo. La saturazione dei componenti edili in occasione di temperature esterne molto alte è una condizione che si verifica spesso nella realtà, quindi ai fini di rendere ancora più realistico ed utilizzabile il dato rilevato nei test, sono stati calcolati i fabbisogni di energia del condizionatore e si è potuto constatare che la soluzione ventilata con ISOTEC PARETE mostra un contenimento del fabbisogno di energia elettrica per il raffrescamento di circa il 30% rispetto alla soluzione non ventilata.

Conclusioni

I vari test condotti negli anni 2016 e 2017 dal Politecnico di Milano e da Brianza Plastica hanno mostrato l’efficacia in fase estiva dei sistemi di facciata ventilata, anche in situazioni caratterizzate dall’accoppiamento di isolanti con ridotta massa termica. Il comportamento dei sistemi di facciata ventilata meno inerziali è paragonabile a quello di soluzioni tradizionali ad elevata inerzia termica. L’utilizzo di isolanti leggeri associati allo schermo avanzato ed alla ventilazione garantisce uno scarico del carico termico molto più rapido rispetto alle soluzioni tradizionali più massive.