Oualificazione termica sperimentale dei componenti edilizi: prestazione degli edifici e risparmio energetico (The experi~ental thermal qualification of building components,

bui lding performance and energy conservation)

paolo BONDI, Nicola CARDINALE, ·Ettore CIRILLO

I st ituto di Física Tecnica - Universitã di Bari - Bari - Italia

Sommario - Ilrisparmio energetico ê strettarnente legato alIa pre­

sta zione termica degli edifício Si analizzano i pararnetri che quag

tizzano la prestazione terrnica e che possono essere rilevati sper!

mentalmente in opera ed in laboratorio. Si esegue una analisi del ­

l e sperimentazioni attualmente eseg uite o possibili. Si riferisce

s ull 'attività dell 'Istituto di Física Tecnica dell'Universitã di

Bari in questo campo .

Abstract - Enerqy canservation 1s strictly connected to the ther­

mal performance of buildings. The parameters that quantify the

the rmal performance and are usually and experimentally measured

i n-situ or in the lab are considered . An analysis is performed of

the t)arameters that are usually and exper imentally measured and of

the proposed ones. The current research at the Institute of Fisica

Tecnica of the University of Bari is reported.

1 . INTRODUZIONE

La riduzione delle d ispersioni termiche degli edifici che si

sta verificando alIo scopo di contenere il consumo energetico, prQ

duce notevoli effetti sulla prestazione termica degli stessi e di

r iflesso sul benessere che essi possono garantire agli utenti, sia

nel la stagione invernale sia nella stagione estiva .

La prestazione termica complessiva dell'organismo edilizio

per essere descritta ha bisogno di vari parametri che ne evidenzi~

no aspetti parziali , quali il fabbisogno termico istantaneo o il

consumo di enerqia o di eombust ibilei il benessere termico, descri

vib ile attraverso la temperatura dell'aria dei locali e delle supeE

fie i interne delle pareti; l'umidità relativa e la veloeità dell'a­

r ia . Questi parametri, oltre che rnisurabili direttamente in opera,

1337

possono essere ricavati per mezzo deI calcolo e ne costituiscono

il ri sul tato finale.

La quantif icazione del l a prestazione termica attraverso una

operazione di sintesi dei parametri che descrivono i suo i vari a­

spetti, costituirebbe una agevole via di quali.ficazione dell ' int~

ro organismo edilizio, sia rispetto alIe esigenze di risparmio e­

nergetico sia rispetto alIa necessità di definire con precisione

la risposta alIe esigenze prestazionali da garantire all'utente.

Le condizioni c1imatiche dell'Europa in partico1are mediterr~

nea permettono di assicurare benessere terrnico estivo semplicemen­

te con interventi di edilizia passiva eliminando ogni necessità d i

consumo energetieo connesso eon il funzionamento di impianti di

cl irnatizzazione .

2. LA PRESTAZ IONE TERMICA

La ·prestazione termica ê un concetto sintetico che unifica un

insierne di risposte , in gran parte quantificabili attraverso para ­

metri fisici aventi carattere deterministico, relative alIe esige!!.

ze espresse dag1i utenti a riguardo de11e caratteristiche termiche

che un edificio deve possedere in relazione alIa sua destinazione .

11 giudizio intrinsecamente soggettivo, perche basato anche su ele

menti psicofisici, puõ essere deterrninato oggettivamente ad esem­

p i o attraverso un indice riferito statisticamente ad un utente me­

dio, cosi come accade sistematicamente nel campo della fisica am­

bienta1e.

L'edificio;nell'ottica a?pena evidenziata,s i configura c ome

un contenitore che attraverso 1e frontiere esterne ed interne che

lo costituiscono definisce un ambiente protetto in cui si possono

svolgere confortevol mente le attività umane. La nostra analisi ê

lirnitata alIe caratteristiche terrniche ed energetiche che il cont~

nitore deve possedere per garantire il benessere termico, associa­

to aI minimo fabbisogno di energia, riducibi1e aI limite a zero,

ed aI minimo costo deI contenitore stesso.

A 1ivello di evoluzione storica si possono riconoscere perio­

di in cui risultava 9reva1ente l'esigenza di ridurre in modo p iU

marcato il consumo di energia termica e periodi in cui questa ven!

va utilizzata eon estrema larghezza. 11 recente passato ê identif!

cabile come período di energia facile ed a buon mercato , mentre l a

situazione attuale ê condizionata dalle conseguenze principalmente

1338 .

economiche deIIa crisi energetica. Come sempre la condizione fina-

1e r isulta da un equilibrio di esigenze, che nella nostra cultura

occidentale viene determina to tradizionalmente attraverso una ott i

mi zza zione economica. Preso come punto fermo l'esigenza di garant~

re il benessere termico, la prestazione termica ottimale risulta

qu ind i variabile in funzione dell'andamento relativo dei costi di

cos t ruzione e dei costi dell'energia, intendendo costo in senso la

to e no n esclusivamente economico.

La prestazione termica cosi intesa dipende esclusivamente daI

1e caratteristiche terrniche dell'edificio; lo scopo deI nostro di­

scorso ê di evidenziare quali siano i terrnini che lo infIuenzano e

di che cosa debba tener conto un progettista per poter ricavare un

indice significativo della stessa , 90ssibilmente a livello quanti­

tat ivo . Come giã accennato nell'introduzione,la prestazione terrni­

ca dell 'edificio dipende sostanzialmente daI benessere termico,

che lo stesso assicura all'utente, e daI consumo energetico deI lo

impianto, che viene installato per correggere quell~ caratteristi­

che c he il solo intervento passivo non sarebbe in grado di riport~

re ne i Iimiti voluti. E' chiaro che soluzioni diverse , equivaIent i

sotto l'aspetto deI ben~ssere termico, non sono necessariamente e ­

quivalent i per quanto attiene la prestazione termica ed i costi di

inve stimento e di gestione .

rI benessere e il consumo sono parametri comp1essi dipe ndenti

da ma lte variabi1i collegate con 1e partico1ari soluzioni costrut­

tive adottate e con le prestazioni termiche dei componenti che co­

sti tu iscono l'organismo edi1izio. rI benessere termico dipe nde in­

fat ti oltre che da11'attivitã e dall'abbig1iamento de11'utente,

dal1a temgeratura del1'aria deg1i ambienti confinanti, daI1a radi~

zione termica presente neg1i ambienti stessi , che puO provenire d~

re ttamente dal l e superfici opache interne alI 'ambiente in conse­

guenza di differenti temperature delle stesse o dall'esterno attr~

verso superfici trasparenti, dall ' umidità relativa dell'aria, daI

movimento dell ' aria stessa e daI suo ricambio . Complessivamente il

benessere termico puõ essere valutato in una grandezza convenziona

1e o indice, che tiene conto di tutte quelle espresse o di aIcune

piu r ilevanti, e risultare quindi quantizzato. Una di queste tecn~

che e data dall'equazione di Fangers oppure , molto piu semplicistl

camente , dalla temperatura operante prevista dalle norme UNr-CTr

7357 o daIIa "environmental temperature " prevista dalla guida cras

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1340

IHVE e dal manuale ASHRAE.

rI consumo energetico dipende dalle caratteristiche isolanti

delle frontiere esterne, dall'inerzia terrnica dell'edificio e da l ­

le caratteristiche costruttive e funzionali degli impianti di c li­

matizzazione che serVQno l'edificio stesso.

Le caratteristiche di isolamento e di inerzia termica sono d i

pendenti sia dalle proprietà terrnofisiche dei materiali o dei corn­

ponenti che cQstituiscono l'edificio, sia dai criteri distribut ivi

CQn cui sono assemblati i componenti stessi o con cui i materiali

vengono cornbinati per costituire i componenti o le differenti mem­

brature dell'organismo architettonico.

La caratteristiche termiche elernentari dei materiali e de i

componenti cioê la conducibilità termica, il calare specifico, l a

trasmittanza o la resistenza termica, i parametri che caratterizza

no le pareti in regime terrnico variabile (ammettenza, parametri

deI quadripolo termico, funzione di trasferimento eccetera), sono

tradiziortalmente utilizzati per ricavare una piü compatta, ma com­

plessa, inforrnazione utile principalmente a livello progettuale

che ê il fabbisogno termico. Tale fabbisogno terrnico puõ essere u­

tilizzato come pararnetro aggregato e compatto che caratterizza tu!

te le informazioni relative alIo scambio terrnico fra 1 ' ·arnbiente

confinato e l'esterno, utile anche aI fine di quantizzare ques to ~

spetto del1a prestazione termica.

rI passaggio daI fabbisogno aI consumo energetico richiede

una considerazione comparata deI fabbisogno e delle caratterist i ­

che costruttive e funzionali dell'impianto come si ê già sottoli­

neato. Per poter definire realisticamente l'effetto combinato, ê

perõ necessario che il fabbisogno sia determinato in modo completo

nella effettiva sua evoluzione temporale, perchê questa provoca i~

terrelazioni significative con l'impianto termico e con la regola­

zione automatica deI lo stesso. Queste interrelazioni producono si ­

gnificative e quantitativamente rilevanti variazioni deI rendimen­

to e quindi deI consumo.

Definendo rendimento il rapporto fra fabbisogno e consumo e ­

nergetico, essa risuIta dipendere non solo daI rendimento vero e

proprio della caldaia e dal1e dispersioni dell'impianto di dis tri ­

buzione, ma anche dall'adeguatezza dell'impianto aI tipo di utenz a

ed aI tipo di edifício, nonchê dalle rnodalità di conduzione e di

regolazione automatica adottate per lo stesso. Si possono in cons~

guenza di ció definire alc~ni rendimenti parziali quali il rendimen

t o della regolazione ed il rendimento dell'accoppiamento edificio­

i mp ianto.

Essendo possibile aggregare quantitativamente tutti i termini

c he costituiscono la prestazione termica e logico pensare che la

qua ntizzazione possa essere estesa anche a tal e concetto mediante

opportune relazioni funzionali. Una ipotesi in tale senso ê stata ~

vanzata daI nostro gruppo di lavoro durante il XV Congresso Naziona

l e ANDIL.

3) LA QUALIFICAZIONE o'EI COMPONENTI

La sperimentazione che porta alIa possibilità di qualificare

t ermicamente i material i ed i componenti per edilizia e una scien­

za complessa e delicata. Se si possono ritenere ormai assodate le

t ecniche opera tive per valutare le proprietà termofisiche dei mate­

rial i di base, altrettanto non si pu~ dire per le tecniche di misu­

ra delle caratteristiche dei componenti anche se esistono alcune

normative a I riguardo: ad esempio la norma ASTM C236 (hot-box). ES!

stono tuttavia a questo riguardo gravi problemi circa le precisione

in particolare quando si tratti di componenti fortemerite eterogenei

e di grandi dimensioni o aventi forme molto irregolari. E' inoltre

ancora completamente da definire quals i asi procedimento normalizza­

to circa la caratterizzazione dei componenti stessi in regime di

temperature variabili nel tempo, anche se alcune tecniche sono or ­

ma i perfezionate ed attendi bili . In particolare e operativa una te~

nica per il rilievo sperimentale dei parametri caratteristici in r~

gime di temperature variabili basato sul modello matematico deI qu~

dripolo termico equivalente messo a punto presso l'Istituto di Fisi

ca Tecnica dell'Università di Bari dagli autori . Una prima comunic~

zione verbale aI riguardo fu fatta in occasione deI 5th IBMaC a

Wa shington.

E' necessario a questo punto specificare che la conoscenza deI

1e proprietà termofisiche dei mater i ali e delle caratteristiche dei

componenti e un dato fondamentale imprescindibiIe per poter proced~

r e ad attendibiIi calcoli di progetto della prestazione termica del

l 'edificio; ê perõ impensabile che dette caratteristiche termiche

possano assumere esse stesse il significato di prestazione termica

e sulla base di esse si giudichi la prestazione -termica complessiva

degli edifici . La qualificazione termica dell'edificio nel suo com-

1341

1342

plesso non puõ venire che attraverso la considerazione della pre­

stazione terrnica di cui i componenti e le Iara caratteristiche 5 0

no solamente una parte, mentre malta dipende anche daI corretto

accoppiamento dei vari elernenti che costituiscono l'insieme. E'

quindi assurdo considerare che il pararnetro qualificante possa a~

surnere il significato di termine di giudizio della bont~ deI com­

ponente. Un componente dota to di una elevata resistenza termica ,

ma di scarsissima inerzia, pu~ dare origine ad una apprezzabil e

prestazione termica se inserito in una costruzione dotata di pe r

sê di una buona inerzia termica, ma non puã che risultare termica

mente scadente se inserito in una costruzione molto leggera, per ­

chê i consumi energetici diventerebbero esagerati . La qualifica ­

zione termica sperimentale dei componenti in conseguenza di ciô

non perde affatto di importanza, ma non deve essere interpreta t a

come dato assoluto.

Le piU recenti disposizioni legisla tive in materia di cont e ­

nimento dei consumi energetici sposano completamente questa line a ,

imponendo caratteristiche stringenti agli edifici sotto l'aspet to

della prestazione termica, ma lasciano libero il progettista di

fare uso in modo idaneo di qualsiasi componente , purchê adeguata ­

mente qualificato ed inserito correttamente nell'organismo edil i ­

zio. In questo senso sono orientate ad esempio 1e 1egis1azioni

francese ed italiana che impongono limiti alIa dispersione termi ­

ca de11'edificio riferita aI volume dello stesso con un coeffi­

ciente di dispersione volumica, senza entrare assolutamente n e l

merito deIle caratteristiche terrniche dei componenti o delle p ro­

priet~ termofisiche dei materiali, pur richiedendone la qualific~

zione per sicurezza deI progettista e della collettivit~ e per g~

ranzia degli utenti.

A proposito di qualificazione sperimentale ê da s o ttoline are

l'importanza della conoscenza delle caratteristiche dei componen­

ti in regime termico variabile. Ciã ê necessario in conseguenza

delle considerazioni fatte a riguardo deI fabbisogno energetico

in sede di definizione della prestazione termica. E' infatti i 11~

s o rio pensare di poter ricavare una previsione attendibile del la

prestazione termica stessa, senza valutare la variabi1it~ deI fa~

bisogno energetico nel tempo e 1e conseguenti modificazioni che

questa produce sul rendimento de11'impianto, in particolare pe r

quelle parti che si ê visto dipendere dalla regolazione automati -

ca e dall' acco 9 piamento edificio - impianto. A questo riguardo si

pos sono citare due esempi chiarificatori. I procedimenti consueti

stimano il ~abbisogno termico in regime di temperature costanti

facendo ri ferimento a condizio ni esterne peggiorative rispetto a1

le situazioni normali. Ciononostante quando l'edificio ê dotato

d i p iccolissima inerzia termica spesso non si riesce ad ottenere

un adeguato benessere termico per insufficienza di potenza scal­

dante installata, perchê non ê stata considerata in origine la

quo ta d i flusso termico necessaria a controbilanciare l e variazio

ni di temperatura delle capacità termiche inevitabilmente presen­

ti. AI contrario per edifici dotati d i grande inerzia termica si

maggiora inutilmente la potenzialit~ dell'impianto, non tenendo

presente che i picchi di minima temperatura esterna vengono effi­

cacemente smorzati da l l 'inerzia termica ed ê sufficiente fornire

un flusso termico commisurato semplicemente alI 'andamento della

temperatura media esterna.

4) ATT IVITA' DELL'ISTITUTO DI FISICA TECNICA DI BARI

L 'Istituto di Fisica Tecnica dell 'Univers ità di Bari da tem­

po svolge attività cOllegata con la qualificazione termica speri­

menta le dei materiali per edilizia attraverso misure sistematiche

di conducibilitã termica , permeabilitã aI vapare d'acqua , umidità

contenuta nelle pareti in opera e di conduttanza specifica o d i

trasmitta nza termica di pareti, anche in forma di serviz i o prove

pe r r ichiedenti este rni.

Sono state messe a punto tecniche per la misura in opera deI

le carat ter istiche termiche delle pareti e degli ambienti sia in

regime di temperature costanti , sia in regime di temperature va­

riabili.

L'attività sperimentale e di ricerca attuale avviene princi­

palmente in d ue campi: un primo rig uarda la messa a punto di una

normat iva sulle misure di trasmittanza o d i conduttanza termica

specif i ca in sede nazionale ed in sede ISO con particolare rigua~

do ai problemi di cam9ioni di grandi dimensioni (3 metri di alte~

za , 4 metri di larghe zza) ed alIa precisione delle misurei un se­

condo campo riguarda la possibilità di definire quantitativamente

la prestaz ione terrnica e di misurarla sperimentalmente in opera,

o ppure su ed ific i elementari convenz ionali sui quali ri5ulta P05-

s ibile in concornitanza la determinazione delle caratteristiche

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termiche delle pareti in regime di temperature variabili . Questi

edifici elementar i convenzionali sono stati realizzati in forma

eubica di 3 metri di lato internamente e per il momento con sole

murature uniformi su tutti i lati, in quanto interesseva valutare

prioritariamente le caratteristiche in regime termico variabile

delle pareti opache. E' stato roesso a punto ·nel eontempo il proc~

dimento di determinazione sperimentale di tutte quelle grandezze

fisiche che perroettono la valutazione quantitativa della presta­

zione termica. Si prevede di realizzare tali edifici elementari

eon frontiere differenziate percentualrnente tra i vari tipi (mu­

rature , solette, serramenti, ecc.) come negli edifici reaIi. 11

pararnetro indice di prestazione terrnica ottenibile da questa s pe­

rimentazione non ê ovviamente uguaIe a quello deI real e edificio,

consente tuttavia un confronto ira le prestazioni termiehe di di­

verse soluzioni costruttive e puõ costituire un interessante par~

metro di qualificazione.

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