L'inerzia termica dell'edificio
L’inerzia termica di una struttura consiste nella sua capacità di opporsi al passaggio del flusso di calore e di assorbirne una quota, senza rilasciarlo in maniera immediata e contribuendo al contenimento delle oscillazioni della temperatura interna.
L’inerzia termica può essere praticamente definita come l’effetto combinato dell’accumulo termico e della resistenza termica della struttura. Queste due caratteristiche dipendono dalla massa frontale della parete e dalla conduttività dei materiali che la costituiscono.
La soluzione tecnica migliore da adottare per una stratigrafia è quindi scegliere un sistema dotato contemporaneamente di sufficiente massa e bassa conduttività senza prediligere soltanto una di queste caratteristiche. In particolare all’aumentare della capacità cresce la quantità di energia immagazzinata e al diminuire della conduttività decresce anche la velocità con cui il calore viene ceduto.
Cos’è la conduttività?
La conduttività termica è definita dal rapporto tra il flusso di calore che attraversa il materiale in regime stazionario e il gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore; misura l’attitudine di un materiale alla trasmissione del calore.
MATERIALE | λ [W/mK] |
Calcestruzzo | 2,00 |
Pannelli di fibre minerali | 0,04 |
Legname | 0,12 |
Acciaio | 50 |
Vetro | 1,000 |
Aria | 0,025 |
Neoprene | 0,23 |
La capacità termica di un corpo con massa m è la quantità di calore necessaria per far variare di 1°C la sua temperatura; è data dal prodotto tra la massa [kg] ed il calore specifico unitario [kJ/kgK].
Se consideriamo un volume unitario di materiale possiamo dire che la capacità C è data dal prodotto tra la densità ρ [kg/m3] ed il calore specifico.
Riportiamo ora alcuni valori per diversi materiali.
MATERIALE | ρ [kg/m3] | c [kJ/kgK] | C [kJ/K] |
Calcestruzzo | 2400 | 1,00 | 2400 |
Pannelli di fibre minerali | 55 | 1,03 | 57 |
Legname | 450 | 1,60 | 720 |
Acciaio | 7800 | 0,45 | 3510 |
Vetro | 2500 | 0,75 | 1875 |
Aria | 1,23 | 1,008 | 1,24 |
Neoprene | 1240 | 2,14 | 2654 |
Come abbiamo spiegato, la capacità dipende oltre cha dal tipo di materiale anche dalla sua massa e in particolare per le applicazioni edilizie si fa riferimento alla massa frontale. Per raggiungere buone prestazioni in termini capacitivi spesso è necessario ricorrere a notevoli spessori che possono diventare proibitivi.
Per ovviare a questo problema sono state svolte ricerche per l’ottenimento di sistemi che in poco spessore garantissero comunque una buona capacità.
Questi materiali sono i PCM (phase change materials) la cui proprietà è quella di fondere e solidificare ad una determinata temperatura compatibile con le condizioni di comfort dell’ambiente climatizzato. Durante i cambiamenti di fase viene accumulato e rilasciato tutto il calore latente di transizione, per questo motivo sono appunto classificati come unità di accumulo di calore latente.
La loro applicazione avviene generalmente inserendo queste sostanze (quelli sottoposti a maggiore sperimentazione attualmente sono i compositi organici paraffinici e idrocarburi) in piccole capsule all’interno delle quali avviene il cambiamento di fase vero e proprio.
Le ultime tecnologie prevedono l’inserimento di queste microcapsule all’interno di altri strati come ad esempio nell’intonaco, nei massetti di sottofondo dei pavimenti e nelle pitture.
In questo caso a capacità termica di 13 mm di intonaco addizionato con il 30% di queste microcapsule è equivalente a quella ottenuta con una parete di mattoni con spessore di 15cm.
Per spiegarne meglio il funzionamento ipotizziamo un PCM con punto di fusione a 22°C collocato in una parete che separa un ambiente a 20°C con l’esterno. Se grazie ai carichi interni la temperatura interna sale, lo strato di PCM che si trovava allo stato solido comincia a sciogliersi accumulando calore senza causare l’incremento un incremento della temperatura. Nel momento in cui tale temperatura interna scende sotto il punto di fusione, ad esempio per lo spegnimento degli impianti, i PCM torneranno a solidificare rilasciando il calore accumulato.
Allo stesso modo anche durante la stagione estiva questi materiali assorbono calore e lo rilasciano. Se posizionati verso l’esterno rallentano l’ingresso della sollecitazione termica, se posti invece verso l’interno sottraggono calore all’ambiente, bisogna però considerare che con l’inversione di temperatura il calore accumulato verrà rilasciato sempre nell’ambiente interno.
L’inerzia termica è una proprietà che influenza il comportamento termico dinamico della parete, cioè la capacità di reagire a sollecitazioni di temperatura variabili nel corso del tempo, come accade principalmente durante la stagione estiva.
Considerando l’andamento giornaliero delle temperature esterne in estate, si ottiene un’onda termica sinusoidale che oscilla tra valori minimi e massimi. L’inerzia termica di una parete esterna comporta lo smorzamento dell’onda (quindi una riduzione dei picchi massimi) e il suo sfasamento (definito come il tempo che intercorre tra l’impatto dell’onda termica sulla superficie esterna della parete e il suo manifestarsi sulla faccia interna).
Questi due fenomeni hanno ripercussioni pratiche sul sistema edificio-impianto, infatti:
- la riduzione dei valori di temperatura all’interno permette il dimensionamento d’impianti con potenza ridotta e quindi minore consumo;
- lo spostamento dell’onda termica nel tempo che determina il momento in cui le peggiori situazioni climatiche esterne (temperature minime in inverno e massime in estate) sono percepite all’interno, potrebbe comportare la comparsa della situazione critica in momenti in cui non è più causa di discomfort.
Lo sfruttamento dell’inerzia termica è fondamentale nei climi che hanno un’ampia escursione termica giornaliera. Generalmente è possibile affermare che se la differenza di temperatura tra valore minimo e massimo è inferiore a 5°C è più importante valorizzare l’aspetto d’isolamento della parete, se l’escursione è compresa tra 7°C e 10°C è necessario valutare di volta in volta in funzione del clima mentre se la differenza di temperatura supera i 10°C sono da preferire costruzioni molto massive.
Per l’ottenimento del miglior effetto possibile è necessario garantire alla struttura di “scaricare” il calore accumulato ad esempio sfruttando la ventilazione notturna.
Lo sfasamento è direttamente proporzionale alla capacità termica ed inversamente proporzionale alla conduttività, in particolare tanto più alta è la capacità quanto più lento sarà l’ingresso del calore, al contrario, tanto più alta è la conduttività quanto minore sarà il tempo necessario affinché il calore attraversi la struttura. Il calore accumulato nella struttura viene poi ceduto agli ambienti che si trovano ad una temperatura inferiore, quindi sia all’interno che all’esterno. Tuttavia è bene riflettere sul fenomeno delle “isole di calore” presente nelle grandi città che ha annullato quasi completamente l’effetto di escursione termica tra il giorno e la notte, vanificando il tentativo di raffrescare gli ambienti attraverso la ventilazione.
La capacità delle strutture che definiscono l’edificio può essere sfruttata per ridurre i consumi per il riscaldamento sfruttando la radiazione solare in ingresso o i sistemi di riscaldamento radianti.
Utilizzando ad esempio pannelli radianti il calore viene accumulato nelle strutture che li ospitano e rilasciato lentamente; grazie alla capacità termica dei materiali quindi le superfici in cui si trovano i pannelli radianti (pavimento, parete, ecc.) continueranno a fornire calore all’ambiente anche quando l’impianto sarà spento.
Le prestazioni inerziali Lo sfruttamento della capacità termica è fortemente influenzato dal sistema d’isolamento adottato.
Prendiamo come riferimento tre possibili situazioni, isolamento interno, in intercapedine ed esterno a cappotto.
Nel primo caso la presenza di materiale coibente sulla faccia interna delle murature impedisce la fuoruscita del calore ma ne impedisce anche l’accumulo nella parete retrostante e dunque la possibilità sfruttare la capacità degli elementi.
L’isolamento in intercapedine può rendere difficoltoso il controllo dei ponti termici ma d’altra parte, proprio per com’è costituita questa soluzione costruttiva, presenta una massa termica esterna che con la sua capacità rallenta l’ingresso della sollecitazione termica, l’isolamento intermedio che blocca gran parte del calore grazie alla sua alta resistenza termica e la massa termica interna che invece contribuisce al mantenimento delle condizioni interne accumulando calore.
Nel caso di cappotto esterno, l’isolamento ostacola da subito l’ingresso di calore in estate mentre in inverno permette l’accumulo del calore prodotto internamente in tutta la parete esterna.
Per il corretto posizionamento della massa termica nell’involucro bisogna considerare se i maggiori consumi energetici sono legati al raffrescamento estivo o al riscaldamento invernale e ovviamente al tipo di utilizzo che si intende fare dell’edificio.
Per il riscaldamento: è bene posizionare le soluzioni con maggiore massa termica in posizioni in cui possano ricevere molta radiazione solare o calore da sistemi radianti.
Per il raffrescamento: è necessario proteggere le soluzioni costruttive con elevata massa termica dalla radiazione solare con sistemi di oscuramento o isolamento ed è anche preferibile prevedere lo sfruttamento della ventilazione notturna e delle correnti d’aria per la rimozione del calore accumulato dalle superfici.
In ogni caso è bene sfruttare la massa dei solai, il pavimento, infatti, è solitamente il posto più economico per posizionare materiali pesanti.
Siti internet di riferimento:
- http://www.yourhome.gov.au/technical/fs43.html
- http://www.learn.londonmet.ac.uk/packages/euleb/it/glossary/index6.html
- http://www.nextville.it/index/543
- http://www.crsoft.it/user/articoli/n17/inerzia.asp
- http://en.wikipedia.org/wiki/Phase_Change_Material
