28 May

L’efficienza energetica nei grandi edifici attraverso l’involucro

di ing. Franco Casalboni

Ti proponiamo l'articolo scritto per il portale ingenio-web

Quando si parla di efficienza energetica relativamente agli edifici molteplici sono gli aspetti da prendere in considerazione, aspetti che grossolanamente possiamo dividere in due grandi filoni:

  • Aspetti legati all’involucro
  • Aspetti legati agli impianti ed al loro utilizzo

In questa breve memoria ci concentreremo sul primo dei due aspetti sopra richiamati e in questo caso le considerazioni svolte (a livello concettuale) sono valide sia per edifici di piccole dimensioni che per edifici di grandi dimensioni.

 

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Premessa

Fino a qualche anno fa quando si parlava di efficienza energetica di un edificio si prendeva in considerazione solamente il comportamento invernale; l’introduzione di norme e leggi volte a ridurre i consumi energetici invernali hanno portato oggi ad avere edifici, soprattutto i grandi edifici destinati ad uso terziario, in cui i consumi energetici per la climatizzazione estiva superano quelli per la climatizzazione invernale. Il tema sarà dunque affrontato prendendo in considerazione il comportamento annuale di un edificio.

Gli aspetti che prenderemo in esame sono:

  • Forma dell’edificio
  • Orientamento dell’edificio
  • Comportamento delle superfici opache
  • Serramenti e sistemi di schermatura

 

 

La forma dell'edificio

E’ il primo aspetto da esaminare se si vuole costruire edifici efficienti dal punto di vista energetico. Infatti, come è intuitivo, si ha che:

  • Al crescere delle superfici esposte verso l’esterno crescono le dispersioni di energia verso l’esterno in inverno e le rientrate di calore indesiderate in estate
  • Al crescere del volume crescono la massa e l’energia che può accumulare contribuendo a smorzare le oscillazioni termiche

Un indice che condensa i due concetti sopra esposti è il fattore S/V, cioè il rapporto tra superficie disperdente e volume racchiuso dalla superficie disperdente. A parità di volume, il fabbisogno di energia decresce con il decrescere della superficie disperdente. Tradotto in altri termini significa che gli edifici con forma regolare e compatta sono più risparmiosi di quelli con forma irregolare. Per edifici residenziali un valore ottimale del rapporto S/V è 0,6 mentre per gli altri edifici è 0,4.

 

L'orientamento dell'edificio

Su questo tema si scontrano due esigenze contrastanti: la necessità di proteggersi dalla radiazione solare in estate e la possibilità di sfruttare in inverno i guadagni solari gratuiti per ridurre i consumi energetici per il riscaldamento. Rispetto al vento invece vale l’opposto e cioè in estate contribuisce a mitigare il clima all’interno degli edifici mentre in inverno occorre proteggersi dagli effetti del vento che possono portare a rientrate di aria fredda indesiderate.

E’ chiaro che le considerazioni da mettere in campo sono diverse a seconda che l’edificio sia in un clima freddo piuttosto che temperato o caldo. In clima freddo, dal momento che la durata del periodo di riscaldamento è molto più lungo di quello in cui necessita la climatizzazione saranno da prevedere orientamenti e soluzioni che favoriscano i guadagni solari gratuiti e viceversa negli altri casi.

Tanto per fornire qualche numero significativo, per una località situata a 45° latitudine Nord, una parete verticale esposta a SUD riceve una radiazione pari a 1.624 Wh/mq al giorno, mentre una facciata esposta a EST o ad OVEST riceve una radiazione pari a 2.570 Wh/mq al giorno.

Fatti salvi questi criteri di carattere generale, ci sono in realtà diverse modalità di affrontare il tema che consentono di tenere conto di queste esigenze contrastanti.

In linea di massima, laddove è possibile, se si vuole privilegiare lo sfruttamento dei guadagni solari per il riscaldamento invernale sarebbe opportuno un andamento dell’edificio Nord-Sud così da avere il maggiore sviluppo delle pareti esterne lungo le esposizioni Est ed Ovest; se questo non fosse possibile a causa della configurazione del lotto o di altri vincoli, è sempre preferibile collocare con esposizione a Nord locali di servizio (vani scale, ascensori, servizi igienici, etc) e/o locali in cui non si ha permanenza continuativa delle persone (come ad esempio sale riunioni negli edifici ad uso uffici o camere da letto negli edifici residenziali) ed a  Sud gli ambienti in cui è prevista  permanenza più continuativa delle persone.

 

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Il comportamento delle superfici opache

Mentre per proteggersi dal freddo invernale è sufficiente avere pareti con un buon (basso) coefficiente di trasmissione termica, per proteggersi dal caldo in estate è necessario prestare attenzione anche ad altri aspetti. Infatti, isolare non significa solo proteggersi dal freddo in inverno, ma anche garantire un buon confort abitativo pure in estate. Contrariamente a quanto si pensi comunemente non tutti i materiali che ci proteggono dal freddo possono dare buoni risultati anche in estate. Ad esempio, l’EPS (polistirolo espanso) ha un ottimo potere isolante in inverno, ma è quasi inutile contro il caldo estivo. Per comprenderne il perché è necessario parlare di due concetti base: attenuazione e sfasamento dei materiali isolanti.

  • Attenuazione (Fa): capacità di ridurre il calore trasferito all’interno dell’abitazione.
  • Sfasamento (St): ritardo dato dal materiale nel lasciarsi attraversare dal calore, quindi capacità di ritardare il picco di calore all’interno dell’abitazione.

Con riferimento alle due grandezze sopra citate, per i principali materiali utilizzati come isolanti termici si hanno indicativamente i seguenti valori:

EPS:                     attenuazione 3%
                             sfasamento 0,5 ore

lana di roccia:       attenuazione 6%
                             sfasamento 1,5 ore

fibra di legno:       attenuazione 23%
                             sfasamento 4 ore   

Facciamo un esempio: se il picco di calore in una giornata estiva è alle ore 16 ed è di 40° C ecco cosa accadrà all’interno di un edificio:

  • con EPS                     picco alle ore 16,30 – temperatura 38,8°C
  • con Lana di roccia      picco alle ore 17,30 – temperatura 37,6°C
  • con fibra di legno        picco alle ore 20,00 – temperatura 30,8°C
     

a questi valori vanno poi sommati i contributi della rimanente parte di stratigrafia della parete (mattone, intonaco, camera d’aria, ecc) che contribuisce ad aumentare il potere isolante. Pertanto, scopo di un buon isolamento è quello sia di attenuare il calore, sia di ritardarne il picco all’interno dell’abitazione in modo che questo avvenga nelle ore notturne e poter così sfruttare una ventilazione naturale, prendendo aria fresca dall’esterno.

Questi due aspetti (fattore di attenuazione e smorzamento termico) vanno valutati attentamente in fase di progettazione per avere un comfort abitativo estivo con bassi consumi energetici. La tabella che segue fornisce un’indicazione del livello di prestazione di una chiusura opaca in funzione dei suddetti parametri.

St

Fa

Prestazione

St > 12

Fa ≤ 0,15

Ottima

12 ≥ St > 10

0,15 ≤ Fa ≤ 0,30

Buona

10 ≥ St > 8

0,30 ≤ Fa ≤ 0,40

Sufficiente

8 ≥ St > 6

0,40 ≤ Fa ≤ 0,60

Mediocre

6 ≥ St

0,60 ≤ Fa

Cattiva

 

Un altro elemento delle chiusure opache che influenza il comfort interno estivo è il colore e la tipologia di finitura esterna. Superfici scure e rugose hanno una predisposizione ad assorbire la radiazione solare (e quindi a scaldarsi) superiore rispetto a superfici liscie e di colore chiaro.

Le superfici lisce inoltre hanno una capacità di scambiare calore l’aria esterna attraverso moti convettivi maggiore rispetto alle superfici lisce. Pertanto, la superficie liscia si fa preferire sia in estate che in inverno.

Particolare attenzione va prestata agli edifici con copertura piana. Quest’ultima infatti, al netto di ombreggiamenti riportati da altri edifici, raccoglie calore durante tutte le ore del giorno e il discomfort estivo supera di gran lunga il beneficio invernale. Occorre pertanto evitare di avere coperture piane di colore scuro; in senso assoluto questo vale per superfici piane il cui strato finale verso l’esterno è rappresentato dalla guaina di impermeabilizzazione (catrame) nera: i locali sottostanti diventano invivibili.

Un efficace soluzione per le coperture piane è costituita dal tetto verde; ne esistono svariate tipologie e soluzioni e tutte permettono di ridurre notevolmente gli effetti negativi delle dispersioni invernali e delle rientrate di calore in estate.

 

I serramenti e i sistemi di schermatura

Anche per questo aspetto ci troviamo di fronte al problema di dover conciliare due esigenze contrapposte: far entrare il sole in inverno, tenerlo fuori in estate. Infatti, il primo (è più efficiente) sistema di condizionamento estivo è non far entrare il sole all’interno degli edifici.

Dei vari componenti dell’involucro di un edificio, quelli vetrati sono di gran lunga gli elementi che costituiscono l’anello debole dell’involucro negli scambi energetici con l’ambiente esterno. Questo soprattutto nei grandi edifici spessissimo caratterizzati da grandi superfici vetrate.

Un approccio molto semplicistico potrebbe portare a dire: prevediamo infissi con un basso valore del coefficiente di trasmissione termica così siamo a posto sia in inverno che in estate. Questo purtroppo non è sempre vero; infatti se da un lato avere elementi vetrati con basso coefficiente di trasmissione termica riduce in inverno le perdite di calore verso l’esterno e riduce anche in estate le rientrate di calore per trasmissione dall’esterno,  per contro rendono difficoltoso lo smaltimento del calore endogeno in eccesso verso l’esterno quando ci sono condizioni favorevoli (mezze stagioni con temperatura esterna inferiore a quella interna) col risultato di rendere necessario accendere l’impianto di condizionamento anche con temperature esterne inferiori a 20°C. Questo accade molto più spesso di quanto non si pensi, soprattutto negli edifici del terziario caratterizzati da elevati carichi endogeni.

Occorre pertanto fare molta attenzione nel determinare le caratteristiche termiche dei componenti vetrati da adottare perché una errata valutazione può portare a realizzare edifici poco efficienti dal punto di vista energetico. Una corretta impostazione del problema non può prescindere da una simulazione energetica dinamica, l’unico strumento oggi in grado di farci capire cosa succede realmente all’interno di un edificio e di valutare quindi quale sia il miglior compromesso da adottare per minimizzare i consumi energetici di un edificio.

Chiudo con una esperienza reale che fa capire meglio di ogni altro discorso la tematica a cui si è accennato. Abbiamo seguito il progetto di una casa in legno per dei nostri clienti (parliamo quindi di civile abitazione ma il concetto nei grandi edifici del terziario si presenta amplificato); casa in legno è sinonimo di edificio molto performante, molto efficiente dal punto di vista energetico. A fine ottobre del primo anno di edificio occupato mi chiama la moglie dicendo che c’era un problema all’impianto di riscaldamento che andava sempre e lei aveva così caldo che doveva dormire con le finestre aperte (fine ottobre-inizio novembre nella campagna di Rimini, con temperature esterne di 10-11°C). Vado a vedere quale fosse il problema e trovo la caldaia spenta, l’impianto di riscaldamento spento, tutto spento e 23°C in casa. Cosa succedeva? Che la casa era così isolata dal punto di vista termico che l’involucro, nonostante le condizioni favorevoli di temperatura esterna, non riusciva a smaltire il calore prodotto da due persone in camera da letto con televisore e aplique accesi.

Conclusione: non sempre edificio molto isolato è sinonimo di edificio efficiente e comfortevole, occorre valutare bene il comportamento dell’involucro succede in tutte le stagioni dell’anno.

 

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