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,
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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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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-
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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.
c
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