Blocchi termici in laterizio: analisi teorico-sperimentale

Blocchi termici in laterizio: analisi teorico-sperimentale
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di Roberto Fioretti, Paolo Principi

La ricerca valuta la possibilità di incrementare le prestazioni termiche dei blocchi di laterizio per murature attraverso l’uso di soluzioni innovative concentrandosi su due tecnologie, in seguito brevettate: una per l’incremento della capacità termica attraverso l’inserimento di PCM (materiali a cambiamento di fase) nelle cavità; l’altra per la riduzione della trasmittanza termica attraverso il trattamento delle superfici delle cavità con coating a bassa emissività.

L'evoluzione normativa nel settore dell’efficienza energetica ha modificato, negli ultimi anni, gli standard minimi per gli elementi dell’involucro, imponendo valori di trasmittanza e inerzia termica sempre più stringenti. Il laterizio, nella cultura costruttiva italiana, ha sempre avuto un ruolo fondamentale come componente dell’involucro, evolvendo nel tempo per soddisfare le esigenze di isolamento, con soluzioni avanzate come i blocchi termici “alleggeriti in pasta”. Grazie a questa rivoluzionaria tecnologia produttiva e allo studio geometrico e dimensionale degli elementi, è stato possibile fino ad ora assolvere contemporaneamente la funzione strutturale, termica ed acustica con pareti monostrato costituite da blocchi. Negli ultimi anni, il gruppo di lavoro del Dipartimento di Energetica dell’Università Politecnica delle Marche (AN) ha sviluppato soluzioni tecnologiche innovative caratterizzate dall’utilizzo di materiali a cambiamento di fase (PCM) all’interno di elementi costruttivi, conducendo ricerche e sperimentazioni in ambito nazionale e internazionale.

Su incarico di uno dei più qualificati consorzi che raggruppa i maggiori produttori di laterizi termici, ha progettato e ottimizzato il disegno di blocchi per murature allo scopo di incrementarne le prestazioni isolanti. In questo contesto, è stata avviata una collaborazione per effettuare studi sulla possibilità di aumentare le proprietà coibenti dei singoli elementi attraverso l’utilizzo di tecniche innovative e sperimentali, tali da creare nuovi prodotti, non solo rispondenti alle attuali normative, ma adatti ad essere utilizzati in edifici altamente efficienti e dal comportamento attivo. Sono state pertanto analizzate due possibili soluzioni tecnologiche per l’incremento della resistenza e dell’inerzia termica della muratura, quindi riguardanti due parametri fondamentali per la prestazione invernale ed estiva dell’involucro e dell’edificio. Per la riduzione della trasmittanza, avendo constatato che le caratteristiche isolanti del blocco derivano in gran parte dalla resistenza termica apportata dalla presenza di forature (lo scambio termico avviene principalmente per irraggiamento), sono stati ipotizzati dei rivestimenti basso emissivi per le cavità.

Peraltro, il principio del trattamento basso emissivo è già utilizzato in altri elementi edilizi, quali vetri e isolanti: attraverso l’utilizzo di vernici, o semplicemente depositi metallici, è infatti possibile ridurre sensibilmente lo scambio termico all’interno di cavità, in particolare di quelle di dimensioni contenute. L’altro aspetto su cui si è concentrata la ricerca è stato l’incremento dell’inerzia termica attraverso l’inserimento, in alcune forature dei blocchi, di materiali a cambiamento di fase (PCM), sostanze che sfruttano il calore latente di fusione e in piccola parte quello sensibile, per accumulare e rilasciare energia utile al mantenimento delle condizioni di comfort abitativo, riducendo il contributo dell’impianto di condizionamento. I materiali a cambiamento di fase trovano, ormai da tempo, applicazione in una moltitudine di campi: da quello aerospaziale a quello alimentare o del vestiario.
Nel settore delle costruzioni, sono state valutate notevoli varietà di impiego, tutte comunque finalizzate al miglioramento del comfort termico e alla riduzione dei consumi energetici per la climatizzazione estiva ed invernale, attraverso l’aumento della massa termica dell’edificio. Esistono già alcuni esempi di applicazione di PCM in edifici reali dove, per caratteristiche climatiche particolari, l’applicazione si presenta vantaggiosa se confrontata con la massa termica apportata dai materiali tradizionali. Obiettivo dell’indagine svolta è stato quello di ottenere, attraverso l’integrazione di questi elementi tecnologici, blocchi di laterizio con prestazioni termiche superiori, senza l’introduzione di isolanti termici specifici e incrementi significativi della massa perimetrale.




1. Curve e funzioni della temperatura esterna (a sinistra) e dell’irraggiamento (a destra) considerate nelle analisi svolte.


Materiali a cambiamento di fase
I materiali a cambiamento di fase (PCM) sono sostanze organiche ed inorganiche, di origine naturale e non, che vengono utilizzate per accumulare e rilasciare energia termica durante il passaggio di fase tra lo stato solido e quello liquido, e viceversa, sfruttando, non solo la capacità termica sensibile, ma anche quella latente di fusione. L’energia latente accumulata durante il passaggio di fase non è altro che l’energia che si spende per la rottura dei legami molecolari, processo che inizia quando la temperatura del materiale raggiunge quella di fusione, differente da materiale a materiale. La capacità termica di queste sostanze, quindi, non è costante nel campo delle temperature, manifestando un incremento quando la temperatura è vicina a quella di fusione. Il vantaggio che si ha nell’utilizzo di materiali a cambiamento di fase, rispetto a quelli tradizionali, per quanto riguarda l’accumulo di energia, è che, a parità di peso, essi hanno, in un intervallo di temperature vicino a quello di fusione, una capacità 80- 100 volte superiore. Inoltre, la capacità termica varabile al variare delle temperature, caratteristica dei PCM, permette di avere un comportamento dell’edificio attivo e sensibile alle diverse condizioni climatiche. Durante il passaggio di fase, il materiale rimane a una temperatura pressoché costante, vicina a quella di fusione, evitando, ad esempio in fase estiva, il surriscaldamento degli elementi nei quali è impiegato. La ricerca è stata condotta utilizzando diverse metodologie di valutazione, teorica e sperimentale, alcune delle quali appositamente studiate per questo tipo di indagine.

Membrane e vernici a bassa emissività
Lo scambio termico per irraggiamento rappresenta uno dei processi dominanti di trasmissione di energia tra materiali a differente temperatura. Per questo motivo, in diverse applicazioni, si sfrutta la ridotta capacità di emettere calore (rispetto ad un corpo nero ideale) di alcune sostanze nel campo dell’infrarosso, in particolare di alcuni metalli, o ossidi di metalli, per ridurre lo scambio termico con l’ambiente. Con riferimento alle applicazioni in edilizia, per esempio, nella tecnologia del vetro si utilizzano i depositi (pirolitici o magnetronici) di metalli, quali l’argento, per incrementare la resistenza termica dell’intercapedine dei vetricamera; oppure, negli isolanti “riflettenti” dove ripetuti strati di fogli di alluminio e materiale trasparente creano, in pochi millimetri, lo stesso effetto di diversi centimetri di materiale coibente tradizionale.

Analisi numerica
Per determinare le caratteristiche termiche di un blocco in laterizio, in accordo con la UNI EN 1745:2005, è stata effettuata una modellizzazione bi-dimensionale utilizzando il metodo degli elementi finiti descritto nella UNI EN 10221-1. Per una prima analisi, sono stati scelti due blocchi correntemente commercializzati. La densità del laterizio preso in esame è di 1550 kg/m3, a cui corrisponde, considerando i valori presenti nella norma UNI EN 1745:2005, prospetto A.1, una conducibilità termica λ di 0,39 W/mK e un calore specifico pari a 1 kJ/kg K. La resistenza termica di un blocco di laterizio è determinata in gran parte dalla presenza delle cavità d’aria, all’interno delle quali lo scambio termico avviene per convezione ed irraggiamento.
Ai fini del calcolo, si determina la resistenza termica della cavità, per poi trasformarla in un parametro teorico, la conducibilità termica equivalente, utile alla schematizzazione dello strato d’aria come una materiale opaco ed omogeneo. Per determinare la resistenza termica della cavità, è stato utilizzato il metodo descritto nella UNI EN ISO 6946:2008, appendice B, che definisce le modalità di calcolo della resistenza termica delle cavità d’aria partendo dai valori dimensionali della stessa, in relazione alle temperature e alle proprietà termofisiche dei materiali, in particolare l’emissività. Utilizzando questa metodologia, è possibile calcolare la conducibilità termica equivalente delle cavità, attraverso la relazione:





2. Output dell’analisi FEM.


3. Cavità riempite di materiale a cambiamento di fase.









L’analisi è stata condotta introducendo delle condizioni costanti nello strato interno (in conformità con la UNI 10339:1994): una temperatura di 26°C e una adduttanza di 7,7 W/m2K; all’esterno, invece, è stata considerata un’oscillazione della temperatura sinusoidale (4) ottenuta interpolando dei valori massimi estivi di progetto presenti nella UNI 10349:1994 per la località di Ancona, con un coefficiente di adduttanza esterna pari a 25 W/m2K. In aggiunta, è stato considerato l’effetto della radiazione solare, in questo caso una funzione esponenziale (5), ottenuta sempre per interpolazione dei valori massimi estivi per una superficie verticale orientata a sud, ridotta del 10% per considerare l’assorbanza della superficie esterna:



Variazione dell’emissività delle cavità

Si è voluto ipotizzare un incremento delle prestazioni termiche dei blocchi andando a variare l’emissività delle superfici interne delle forature. Come già precisato, lo scambio termico, per questo tipo di cavità, avviene in gran parte per irraggiamento e in piccola parte per conduzione/ convezione, e quindi una riduzione dell’emissività delle superfici interne può portare ad una significativa riduzione della trasmissione di energia termica. Per verificare le potenzialità di questa ipotesi, si è valutata, calcolandola secondo la norma, la trasmittanza termica dei laterizi al variare dell’emissività delle camere interne.

Applicazione di pcm
L’applicazione di materiale a cambiamento di fase nei blocchi di laterizio può essere effettuata andando a riempire alcune delle cavità degli elementi. Da ricerche precedentemente effettuate su involucri contenenti PCM, per le condizioni climatiche tipiche del centro Italia, al fine di ridurre i carichi termici estivi, questo dovrebbe essere inserito negli strati più esterni della parete in modo da riuscire ad assorbire l’energia proveniente dalla radiazione solare e, durante le ore notturne, rilasciare verso l’esterno l’energia accumulata. In base a questa considerazione, si è ipotizzato l’inserimento nella prima fila di fori, partendo dall’esterno, di materiale a cambiamento di fase (sali idrati, temperatura di fusione 32,4°C) con conducibilità 0,6 W/mK (fig. 3). Dalle valutazioni numeriche svolte, si dimostra come l’effetto dell’applicazione di materiale a cambiamento di fase comporti una variazione sostanziale del comportamento dinamico in fase estiva, mentre produce una leggera riduzione della resistenza termica del blocco, derivante dalla riduzione del numero di cavità d’aria presenti nell’elemento.

Analisi sperimentale

La verifica sperimentale delle prestazioni termiche ed energetiche dei materiali indagati è stata effettuata attraverso il confronto di blocchi in laterizio nella configurazione corrente (quindi prodotti standard) con prototipi di blocchi energeticamente migliorati con le due tecnologie illustrate (trattamenti basso emissivi e PCM). Dalle valutazioni teoriche, secondo la UNI EN 1745, effettuate sul blocco base e sul blocco migliorato, si evince la possibilità di una riduzione teorica della trasmittanza termica e un incremento dell’inerzia termica delle soluzioni di involucro realizzate con tali prodotti. Le modalità di prova sono state estrapolate dalla metodologia prevista dalla UNI 7891:1978/83 per la determinazione della conduttività termica con il metodo dei termoflussimetri. Il metodo descritto dalla norma consiste nella valutazione dei flussi termici e delle temperature attraverso il blocco, generati mediante due piastre, una calda e una fredda, poste sul lato interno ed esterno dell’elemento. Con questo metodo, è stato possibile determinare sia la conducibilità termica equivalente, una volta accertata la stazionarietà delle condizioni e atteso il tempo necessario per l’eliminazione dell’effetto dinamico dovuto all’inerzia termica del blocco. La norma UNI 7891 descrive le caratteristiche fondamentali dell’apparecchiatura e stabilisce le modalità di esecuzione delle prove e di valutazione dei risultati per la determinazione della conduttanza e della conduttività termica in regime stazionario di materiali asciutti compatti, cellulari, in fibre o granuli, quando sia comunque possibile realizzare provini con caratteristiche fisiche omogenee, a forma di lastre quadrate o circolari, delimitate da superfici frontali piane e parallele tra loro. Questa normativa è specifica per materiali isolanti, ma può essere adattata allo studio di altre tipologie di prodotti; in particolare, è stata presa come riferimento nella costruzione dell’apparecchiatura di prova, nonché nelle modalità di conduzione del test e nell’analisi dei risultati. Il metodo di prova consiste nel creare un gradiente di temperatura tra due facce parallele del provino, misurando, una volta stabilizzate le condizioni, il flusso termico che attraversa il provino stesso, rilevato con termoflussimetri. Questi vengono posizionati in corrispondenza delle superfici di contatto tra le piastre termostatate e le facce dei blocchi in laterizio. Dal rapporto tra il flusso termico e la differenza di temperatura superficiale è possibile calcolare la conduttanza termica equivalente dell’elemento in esame. Per queste misure sono stati utilizzati termoflussimetri Microfoil heat flux sensors 27070-2 prodotti dalla RdF Corporation.


Misura dell’emissività
Al fine di valutare l’effettivo valore di emissività della vernice utilizzata per il trattamento delle cavità del blocco, sono state effettuate misure sperimentali per la determinazione del valore di emissività reale. Sono stati realizzati dei provini di vetro trattati con vernice a bassa emissività e con vernice nera opaca ad emissività nota. Ciascun provino è stato successivamente scaldato ponendolo su una lamiera dell’involucro del bagno termostatico, a contatto con un liquido caldo a temperatura costante. Con l’ausilio di una termocamera ad infrarossi NEC TH 7800, sono state rilevate le temperature superficiali al variare dell’emissività imposta sulla termocamera e confrontate con la sonda RTD100 per la misura delle temperature superficiali posta sul vetrino. Sono state raccolte immagini al variare dell’emissività fino a rilevare il valore corretto della temperatura e, quindi, desumere l’emissività delle superfici.


4. Confronto delle temperature superficiali sul lato interno del blocco, con e senza l’inserimento di materiale a cambiamento di fase (PCM).


5. Confronto dei flussi termici attraverso il blocco, con e senza l’inserimento di materiale a cambiamento di fase (PCM).


6. Temperatura del materiale a cambiamento di fase.



7. Immagine termografica del provino e apparecchiatura di prova: punto 1, vernice con polvere di alluminio (basso emissiva); punto 2, pellicola di alluminio; punto 3, vernice nero opaco con emissività nota (0,97 ÷ 0,98).

Prove in regime stazionario
Il metodo descritto dalla norma consiste nella valutazione dei flussi termici e delle temperature sui lati del blocco, con un gradiente di temperatura creato attraverso due piastre, una calda e una fredda, poste sul lato interno ed esterno del blocco da testare. Le prime prove, condotte su 2 provini di laterizio allo stato attuale, al fine di determinarne le prestazioni base, sono state eseguite mantenendo le condizioni al contorno (temperatura delle piastre) stabili per almeno 8÷10 ore e misurando le diverse grandezze utili per il calcolo della conduttanza, data dal rapporto tra le medie dei flussi termici e la differenza di temperatura misurata sulle due facce del blocco. Per ottenere un miglioramento delle prestazioni del blocco in laterizio, successivamente, sono state trattate con vernice a base di alluminio le superfici delle facce delle cavità interne, con la finalità di abbassare lo scambio termico radiativo tra le facce stesse, responsabile di circa 2/3 della trasmissione di calore, grazie alla riduzione dell’emissività e dell’assorbanza delle superfici.

Prove in regime dinamico
Per verificare il miglioramento ottenibile con l’inserimento di materiale a cambiamento di fase (PCM), e quindi l’incremento dell’inerzia termica del blocco in laterizio, sono state condotte prove in regime dinamico. La dinamicità delle prove è stata ottenuta facendo variare la temperatura superficiale di un lato del laterizio, simulando le oscillazioni della temperatura superficiale esterna di una parete verticale a sud durante la giornata tipo estiva. Per determinare la curva sinusoidale di variazione della temperatura esterna, sono stati presi, come valori rappresentativi, quelli ricavati dalle simulazioni numeriche effettuate sul blocco di prova sottoposto alle condizioni climatiche (temperatura e irraggiamento) ricavate dalla UNI 10349 per la località climatica di Ancona e i coefficienti di scambio termico interno ed esterno indicati nella UNI 6946. La temperatura interna è stata mantenuta costante riproducendo la configurazione di locale climatizzato a 20°C. La variazione di temperatura della piastra calda è stata controllata da un programma in Basic che, in funzione dell’ora, faceva variare la temperatura del fluido termovettore. Con la simulazione delle variazioni termiche esterne, si è voluto indagare il comportamento dell’involucro edilizio in condizioni pseudo-reali, particolarmente significativo nel nostro Paese in larga parte caratterizzato da una climatologia tipica mediterranea a cui corrispondono consistenti consumi energetici durante l’estate per assicurare idonee condizioni di comfort abitativo.


8. Provini oggetto della sperimentazione.


9. Confronto delle conduttanze, prima e dopo il trattamento con vernici basso emissive.


10. Flussi termici registrati sulla superficie interna del blocco di laterizio, con e senza PCM.


11. Temperatura dietro lo strato di PCM.

Sviluppi futuri
Attraverso le prove sperimentali e le analisi numeriche effettuate, è stato possibile dimostrare e quantificare i benefici apportati dall’utilizzo di vernici basso emissive, per la riduzione dello scambio termico nelle cavità, e di materiali a cambiamento di fase, per l’incremento dell’inerzia termica del blocco. Nel caso dei blocchi trattati con vernici basso emissive, sono state condotte prove utilizzando vernici a solventi con polveri di alluminio, con emissività misurata pari a circa 0,50. Attraverso le prove, si è riscontrata una riduzione della conduttanza e della trasmittanza dei blocchi in esame di circa il 23%, valore ottenuto anche con le analisi numeriche (condotte secondo il metodo di calcolo standardizzato). Le diverse tipologie di prove effettuate con i materiali a cambiamento di fase hanno evidenziato un miglioramento delle prestazioni energetiche del blocco, più o meno evidenti a seconda del tipo di oscillazione termica simulata. In particolare, si è ottenuto un aumento della capacità termica del blocco, verificata con temperature tipiche estive (località climatica di riferimento Ancona), ottenendo un incremento dell’attenuazione e dello sfasamento del flusso termico (4 ore in più di sfasamento e una riduzione del flusso massimo del 26%). Dai confortanti risultati ottenuti, si apre una moltitudine di possibili sviluppi, relativamente alle tipologie di prove (su pareti in edifici sperimentali sottoposte a condizioni reali), alla valutazione della combinazione degli effetti, alla sperimentazione di materiali a cambiamento di fase e vernici basso emissive, maggiormente adatti a questo scopo, e, non per ultimo, lo studio di forme che ottimizzino il contributo apportato dalle due tecnologie.

Tratto da Costruire in laterizio, numero 141 - "Svizzera" - maggio/giugno 2011


Costruire in laterizio
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Bibliografia
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