Ottimizzazione termica dei serramenti

Abstract Le prestazioni termiche dei serramenti possono essere facilmente calcolate utilizzando simulazioni numeriche 2D. Sono disponibili diversi pacchetti software commerciali e gli standard internazionali forniscono una metodologia chiara per calcolare la trasmittanza termica. Tuttavia, anche se questi metodi sono ben noti nel mondo accademico e nella comunità di ricerca in generale, l’ottimizzazione termica non ha ancora raggiunto il suo pieno potenziale nel settore edile e vi sono notevoli margini di miglioramento. Nello specifico per le piccole e medie imprese mancano linee guida che siano sia sufficientemente generiche da garantire un utilizzo diffuso, sia sufficientemente specifiche da consentire una facile e diretta interpretazione e implementazione. In questo progetto di ricerca, in collaborazione con l'industria edile, sono state sviluppate sezioni generiche di finestre per telai in vinile, alluminio e legno. Sulla base di un'indagine di mercato, sono stati individuati e descritti approcci tipici per migliorare le prestazioni termiche per ciascuna tipologia di serramento. Successivamente, l'impatto dei miglioramenti separati, così come gli effetti combinati, sono stati studiati utilizzando metodi di calcolo sia standardizzati che avanzati. Per questo vengono discussi i fenomeni di scambio termico e il modo in cui questi vengono modellizzati secondo procedure di calcolo standard. Oltre a ciò, vengono discussi una serie di effetti secondari derivanti dalle norme, ad esempio lo spessore della IGU, la profondità della battuta della finestra, le conduttività termiche equivalenti e l'impatto dei coefficienti di trasferimento termico ridotti. Peer review sotto la responsabilità del CENTRO CONGRESSI INTERNAZIONALE SRL Nathan Van Den Bossche et al. / Energia Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2501 Nel corso degli ultimi decenni si è assistito ad un crescente interesse per la riduzione del consumo energetico negli edifici. Sono molti gli aspetti che contribuiscono all'efficienza energetica complessiva di un edificio, ad esempio: una progettazione intelligente, sistemi HVAC efficienti, interfacce ermetiche e un livello di isolamento adeguato. In particolare, le prestazioni dell'isolamento sono state studiate approfonditamente in studi precedenti. Nonostante le numerose ricerche, un componente dell’edificio rimane fonte di preoccupazione, più specificamente il telaio della finestra. Si tratta di un componente piuttosto complesso a causa di specifiche condizioni al contorno relative alle prestazioni meccaniche, all'operatività, all'acustica, ecc. Per pareti, tetti e pavimenti i valori indicativi tipici per la massima trasmittanza termica nei paesi del centro e nord Europa sono compresi tra 0,1 e 0,3 W.m²K, che possono essere facilmente realizzati con le comuni tipologie costruttive. Per le finestre le linee guida sono meno rigide e in genere variano tra 0,8 W/m²K e 2,4 W/m²K. In alcuni paesi ci sono requisiti specifici anche per le IGU. I doppi vetri commerciali con rivestimento a bassa emissività e riempimento di gas argon hanno una trasmittanza termica di 1,1 W/m²K, mentre i tripli vetri e i vetri sotto vuoto possono arrivare fino a 0,5 W/m²K. A conoscenza degli autori, non esistono restrizioni specifiche nei diversi paesi sulla conduttività termica dei telai delle finestre. Si noti che imporre restrizioni specifiche renderebbe impossibile costruire alcune configurazioni di finestre specifiche. Ad esempio, le tipiche finestre e porte scorrevoli in alluminio o vinile disponibili sul mercato hanno una trasmittanza termica compresa tra 2,0 e 4,5 W/m²K. Non perché le prestazioni termiche non siano state prese in considerazione nel processo di progettazione, ma a causa delle limitazioni pratiche nella produzione e nella facilità d'uso. Le informazioni sull'ottimizzazione termica nella letteratura scientifica, e nella letteratura in generale, sono piuttosto scarse [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2] hanno studiato l'impatto della conduttività termica del materiale del telaio e dei tagli termici, per definire gli obiettivi prestazionali dei materiali per la progettazione delle finestre correnti. Si noti che come livello prestazionale richiesto è stato scelto un valore U di 0,5 W/m²K, semplicemente basandosi sul fatto che le migliori IGU commerciali sul mercato ora hanno un valore U di 0,5 W/m²K. Sulla base di tale approccio, si è concluso che i tagli termici dovrebbero avere una conduttività termica inferiore a 0,02 W/mK (o 0,005 W/mK se vengono sviluppati materiali 'nuovi'), i materiali isolanti strutturali per profili compositi in legno dovrebbero avere una conduttività termica inferiore a 0,03 W/mK e idealmente i telai in alluminio e PVC dovrebbero comprendere cavità con un'emissività inferiore a 0,05 per i materiali circostanti. Non sono state presentate linee guida di progettazione per la geometria delle finestre e non sono stati specificati percorsi su come acquisire le conduttività specificate. Allo stesso modo, anche Byars e Arasteh [5] si sono concentrati sull’impatto della conduttività termica sul valore U del telaio. La ricerca di Gustavsen [1] ha indicato che, sebbene la convezione sia modellata nella norma EN ISO 10077-2 [6] adottando un approccio semplificato con conduttività termiche equivalenti, i risultati si confrontano bene con le simulazioni del flusso di fluido. La norma ISO 10077-2 prescrive che le cavità con interconnessione non superiore a 2mm siano da considerarsi separate. Manca qualsiasi riferimento a documenti o ricerche per tale ipotesi e mediante simulazioni CFD è stato dimostrato che 7 mm sarebbe un criterio più realistico. 2. Modelli e metodo di simulazione Un'analisi delle caratteristiche di una gamma di telai per finestre attualmente disponibili sul mercato belga ha portato alla progettazione di tre diversi materiali per telai: alluminio, legno e vinile. Si tratta di una base neutrale per le simulazioni e possono essere utilizzati come modelli generici per evitare che i prodotti esistenti siano avvantaggiati o svantaggiati. Questi modelli sono stati progettati in collaborazione con l'Associazione belga di costruzione e certificazione BCCA) e il Centro europeo dell'alluminio, non solo per garantire il design neutro dei telai, ma anche per ottenere una panoramica affidabile delle misure tipiche adottate per migliorare le prestazioni termiche dei telai. Per i telai in alluminio l'attuale riferimento standard in Belgio è un profilo a 3 camere a taglio termico in poliammide rinforzata con fibra di vetro. Il sistema è reso stagno all'aria e all'acqua mediante una guarnizione centrale, tipicamente in combinazione con una guarnizione interna. Allo stesso modo, i comuni telai per finestre in vinile sono composti da 5 camere e viene inserito un profilo in acciaio per garantire un'adeguata resistenza e rigidità. Anche la tenuta alle intemperie è assicurata da due guarnizioni, una sul piano interno, una sul piano esterno. La cornice di riferimento in legno ha uno spessore di 68 mm, è realizzata in legno duro e comprende una guarnizione interna e centrale. In collaborazione con la BCCA è stato avviato un piccolo esercizio di simulazione round robin. I produttori di serramenti sono stati invitati a simulare i modelli generici e a riportare il valore Uf secondo la norma EN ISO 10077-2. All'appello hanno risposto solo 5 aziende, quindi i risultati non possono essere considerati rappresentativi dell'intero settore edile belga, ma sono state comunque tratte alcune conclusioni interessanti. Innanzitutto sono stati utilizzati sia Therm [7] che Bisco [8] e simili 2502 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) Sono stati trovati 2500 – 2505 risultati. In secondo luogo, per il telaio in legno la deviazione standard è stata di 0,00 W/m²K, mentre per il telaio in vinile e alluminio è stata rilevata una deviazione standard di 0,01 W/m²K. Evidentemente la conduzione è la modalità più importante di trasferimento del calore nel telaio in legno, mentre la convezione e l'irraggiamento (e conducibilità termiche equivalenti) sono più importanti negli altri profili. Fig. 1 Infissi generici in alluminio (a sinistra), vinile (al centro) e legno (a destra). La geometria di ogni modello si basa sul comune denominatore dei sistemi commerciali. Questi progetti possono essere considerati basilari e forse non rappresentativi dell’attuale pratica edilizia, ma utilizzando questo approccio è più semplice valutare e quantificare l’impatto delle diverse strategie di miglioramento. La norma europea EN ISO 10077-2 fornisce un metodo di calcolo numerico per calcolare il valore U del telaio (Uf), che viene generalmente eseguito utilizzando un programma commerciale di trasferimento di calore 2D come Therm o Bisco. Per questa analisi è stato utilizzato Bisco ma è stato adottato un approccio fisicamente più corretto. Le modifiche più importanti sono il calcolo accurato dei fattori di vista e del modello di radiazione non lineare (contrariamente all'uso della conducibilità termica equivalente per le cavità nella norma EN ISO 10077-2) e l'analisi separata di radiazione e convezione nelle cavità e sulle superfici interne ed esterne. La norma EN ISO 10077-2 specifica che per il calcolo della conducibilità termica equivalente si può adottare una temperatura media di 10°C. Le simulazioni mostrano che anche in telai simmetrici la convezione dipendente dalla temperatura induce effettivamente differenze fino a 0,003 W/m²K nei modelli qui considerati (si tenga presente che in condizioni più estreme dove convezione e radiazione sono più importanti, sono state riscontrate differenze fino a 0,04 W/m²K). In generale, ciò porta a valori Uf leggermente inferiori, ma consente una valutazione più corretta delle diverse strategie di ottimizzazione. Utilizzando il metodo di simulazione più accurato, il valore Uf del telaio della finestra in vinile è inferiore del 2% rispetto al metodo di calcolo EN ISO 10077-2, mentre per i telai delle finestre in legno e alluminio il valore Uf è inferiore di quasi l'1%. Al contrario, una differenza maggiore si registra nel contributo delle tre diverse forme di trasferimento del calore (conduzione, irraggiamento e convezione) alla prestazione termica complessiva. Generalmente il metodo di calcolo EN ISO 10077-2 sottovaluta l'importanza dell'irraggiamento e della convezione e sovrastima l'importanza della conduzione. Nello specifico per il modello con telaio in legno è evidente la differenza nel contributo delle forme di trasferimento del calore tra la norma EN ISO 10077-2 e il metodo più accurato. Ciò può essere attribuito a una ridistribuzione delle diverse forme di trasferimento del calore a causa dell'importanza sottovalutata dell'irraggiamento e della convezione nelle cavità del telaio. Man mano che la conducibilità termica equivalente delle cavità cresce, si avvicina alla conduttività del legno. Quindi una parte del flusso termico che inizialmente attraversava il legno ora “sceglie” di attraversare la cavità per irraggiamento, poiché la differenza di resistenza al flusso termico tra legno e cavità è diminuita. Infine, nelle simulazioni l'IGU viene – in linea con la norma EN ISO 10077-2 – sostituita da uno strato isolante con lo stesso spessore e con conducibilità termica di 0,035 W/mK. Dato che per il calcolo dei valori Uf non sono basati su progetto (come di solito accade), non è chiaro quale spessore del vetro si debba assumere. Nella tabella 1 sono riportati i valori Uf per i tre telai di riferimento, calcolati per uno spessore del vetro di 24 mm (doppio vetro 4-16-4) e 42 mm (triplo vetro 4-15-4-15-4). Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2503 Tabella 1. Valori Uf di infissi generici con vetri da 24 mm e 42 mm. Valori Uf doppio vetro 24mm (W/m²K) triplo vetro 42mm (W/m²K) differenza (W/m²K) differenza (%) alluminio 2,773 2,618 0,155 5,59 legno 1,707 1,640 0,067 3,93 vinile 1,503 1,451 0,052 3.46 3. Strategie di ottimizzazione termica Durante l'analisi dei serramenti commerciali esistenti, sono state trovate una serie di diverse strategie di ottimizzazione termica. È stata eseguita un'analisi di sensibilità delle diverse tecniche di ottimizzazione sui corrispondenti modelli generici. 3.1. Alluminio La Tabella 2 riporta le diverse strategie di ottimizzazione applicate al modello di serramento in alluminio con una trasmittanza termica di 2.775 W/(m²K). Il valore Uf più basso ottenibile combinando queste strategie è 1.210 W/(m²K), una riduzione della perdita di calore del 56%. Si noti che questo non deve essere considerato come il valore più basso ottenibile. L'analisi qui riportata si concentra sull'impatto relativo degli interventi separati e combinati e, mediante un'ottimizzazione specifica più mirata, è possibile ottenere valori anche inferiori. Tabella 2. Strategie di ottimizzazione per infissi in alluminio. Strategie di ottimizzazione Valore Uf (W/m²K) Miglioramento (%) inizio: modello serramento in alluminio 2.775 0 A. ottimizzazione larghezza dei profili in alluminio 2.759 1 B. taglio termico (da λ=0,30 a λ=0,17W/mK) 2.624 5 C. taglio termico esteso (da 34 a 54mm) 2.660 4 D. guarnizione centrale divisoria (profondità cavità 6mm) 2.713 2 E1. Taglio termico divisorio (profondità cavità 6mm) 2.411 13 E2. isolamento a taglio termico (λ=0,035W/mK) 2.336 16 F1. sigillatura estesa dei vetri per bloccare le radiazioni 2.570 7 F2. vetro traslato (da 15 a 30 mm di battuta vetro) 2.486 10 F3. isolamento tra vetro e telaio (λ=0,035W/mK) 2.475 11 G. alluminio non trattato nell'intercapedine (ε=0,3) 2.499 10 H. Triplo vetro 2.618 6 combinazione A+B+C+D+E1+F1 1.709 38 combinazione A+B+C+D+E1+F2 1.594 43 combinazione A+B+C+D+E1+F3 1.518 45 combinazione A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 combinazione A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 combinazione A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 Alcune parti di una sezione possono essere migliorate in diversi modi. Ad esempio, per bloccare la radiazione e ridurre la convezione, il taglio termico può essere diviso in diverse cavità oppure le cavità tra il taglio termico possono essere riempite con materiale isolante. Quest'ultima opzione si è rivelata la più efficace: si è ottenuto invece un miglioramento del valore Uf del 16%, mentre una riduzione del 13% è stata evidente suddividendo il taglio termico in cavità separate. Inoltre, la cavità tra IGU e telaio può essere trattata in diversi modi. Può essere suddiviso in 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 cavità separate estendendo la guarnizione del vetro o spostando il vetro più in profondità nel telaio. Tuttavia, riempire questa cavità con l’isolamento sembra essere ancora una volta l’opzione migliore. Se si applica questa tecnica, è necessario prestare attenzione per evitare che l'acqua capillare penetri nella sigillatura secondaria della IGU. Combinando diverse strategie di ottimizzazione, l’effetto cumulativo non è uguale alla somma dei miglioramenti separati perché alcuni effetti si contrastano. Figura 2. Risultati della simulazione per il sistema ottimizzato (in alto) e quello di riferimento (in basso). La figura a sinistra mostra la distribuzione della temperatura nei profili in alluminio, la figura centrale mostra il flusso di calore in ciascuna parte del telaio in alluminio, la figura a destra mostra il flusso di calore nei telai in vinile. 3.2. Vinile Il valore Uf del modello di riferimento del telaio della finestra in vinile è 1.503 W/m²K. È possibile ridurlo a 0,759 W/m²K o una riduzione del 50% scegliendo la giusta combinazione di tecniche di ottimizzazione. Il punto debole di un telaio per finestre in vinile standard è il rinforzo in acciaio. Esistono due metodologie tipiche per affrontare questo problema: sostituire il rinforzo con un materiale isolante migliore con resistenza comparativa o sostituire il materiale del telaio con un materiale più resistente per cui il rinforzo diventa ridondante. Per la prima opzione vengono proposti due materiali: acciaio inossidabile e un materiale composito. L'acciaio inossidabile ha prestazioni difficilmente migliori dell'acciaio, un rinforzo composito (λ=0,2 W/mK) invece fa davvero la differenza. Inoltre se l'intero telaio fosse realizzato con un robusto composito (ad esempio con fibra di vetro; λ=0,2 W/mK), non sarebbe necessario alcun rinforzo, il risultato si avvicina quasi a quello del telaio in vinile con rinforzo composito. Tuttavia, se nelle cavità centrali si isolano, i telai compositi raggiungono prestazioni migliori rispetto ai telai rinforzati. Dividere il telaio in più cavità per approfondire la sezione rende inefficace. Approfondendo il telaio da 90 mm a 120 mm e isolandolo si riduce la perdita di calore del 29%. L'installazione di una guarnizione centrale riduce la perdita di calore del 4%, l'isolamento tra IGU e telaio del 3%, utilizzando un materiale composito per eliminare il rinforzo in acciaio si ottiene una riduzione dell'11%. 3.3. Legno La recente evoluzione nell'applicazione di telai in legno negli edifici a basso consumo energetico è un segno che, in particolare, i telai in legno Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2505 hanno il potenziale per avere una bassa trasmittanza termica. Pertanto le prestazioni termiche della IGU dovrebbero essere bilanciate con le prestazioni del telaio. Di conseguenza il modello di riferimento su cui vengono applicate le diverse tecniche di ottimizzazione è quello con triplo vetro. Le finestre in alluminio, d'altra parte, vengono generalmente scelte in base alla loro convenienza, durata e generalmente richiedono una manutenzione minima. Tuttavia, poiché i telai in alluminio sono ampiamente utilizzati, il miglioramento del telaio ha conseguenze importanti. Il legno tenero è un isolante migliore del legno duro, ma è meno durevole e possibilmente suscettibile al deterioramento prematuro. Questo è il motivo per cui il modello di riferimento è realizzato in legno duro, ma se adeguatamente protetto dall'ambiente viene utilizzato legno tenero. Il telaio di riferimento ha un valore Uf di 1.640 W/m²K e combinando le tecniche appropriate è possibile ottenere un valore Uf di 0,584. Si tratta di un miglioramento del 64%. Vengono confrontate tre tecniche di ottimizzazione per quanto riguarda il volume di legno del telaio. La tecnica migliore è sostituire tre strati di legno duro con sughero, PU e ancora sughero. Un altro approccio, anche se meno efficace, consiste nel sostituire una parte rettangolare della massa centrale con il sughero. La terza opzione è realizzare piccoli fori nel telaio senza ridurne la resistenza. Per schermare il telaio in legno dall'ambiente esterno si può utilizzare una schermatura in alluminio o sintetica coibentata. Entrambe le schermature offrono buoni risultati che derivano dalla sostituzione del legno duro con legno tenero che isola meglio. Approfondendo il telaio da 68 mm a 108 mm si riduce il valore Uf da 1.640 a 1.269 W/m²K. La sostituzione del materiale in legno duro con una combinazione legno-sughero-pu-sughero-legno riduce la perdita di calore del 47%. Si noti che l'inserimento di piccole cavità d'aria (4 mm di altezza per 14 mm di larghezza) nel materiale in legno massiccio può influire sulla durabilità e un volume del 16% di cavità riduce la perdita di calore solo del 9%. Infine, l'inserimento dell'isolamento tra la vetrata e il telaio ha un impatto molto minore rispetto agli altri profili (1%). A differenza degli altri profili, il fermavetro ha già un effetto isolante, rendendo meno efficace l'isolamento aggiuntivo. 4. Conclusioni e discussione I risultati della simulazione dei modelli generici di infissi mostrano che un infisso medio può essere migliorato dal 50% fino al 64% con semplici strategie di ottimizzazione trovate sul mercato belga. La nuova metodologia di simulazione dimostra il suo valore poiché alcune tecniche si rivelano più efficaci o raggiungono un livello ottimale in condizioni diverse da quelle ipotizzate dalla vecchia metodologia. Inoltre, dall’analisi sono emersi nuovi spunti. Alcuni interventi non raggiungono un livello ottimale basandosi solo sulla trasmittanza termica: ad esempio, teoricamente la profondità del telaio della finestra in legno potrebbe essere aumentata all'infinito per ridurre al minimo la perdita di calore. Una progettazione intelligente dovrebbe trovare un equilibrio ottimale tra prestazioni termiche, uso limitato di materiali e altre restrizioni pratiche. Per i telai cavi come il modello in vinile e alluminio è possibile esaminare l'effetto positivo dell'aumento della profondità della IGU nel telaio. Forse un'altra opzione potrebbe essere quella di collegare strutturalmente la IGU al telaio per tutta la larghezza del telaio, in modo che la funzione strutturale del telaio venga parzialmente trasferita alla IGU. A causa della significativa influenza dell’alluminio sulla trasmittanza termica del telaio dovuta all’elevata conduttanza termica, ulteriori ricerche sulla riduzione dell’emissività dei materiali potrebbero portare ad una sostanziale riduzione del trasferimento di calore per irraggiamento. Riferimenti [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Sviluppo di infissi per finestre a bassa conduttanza: capacità e limiti degli attuali strumenti di progettazione per il trasferimento di calore delle finestre - Revisione dello stato dell'arte, Journal of buildingphysical, vol. 32(2) (2008), pp.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, Elementi chiave e obiettivi prestazionali dei materiali per infissi altamente isolanti. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, Influenza delle proprietà geometriche ed emissive delle cavità sulle prestazioni termiche complessive dei serramenti in alluminio. Energia ed edifici [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Analisi termica di finestre super isolate (indagini numeriche e sperimentali), Energia ed edifici, vol. 29 (1999), pp. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, Opzioni di progettazione per infissi a bassa conduttività. Materiali a energia solare e celle solari 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Prestazioni termiche di finestre, porte e persiane - Calcolo della trasmittanza termica Parte 2: Metodo numerico per telai, 2012. [7] Therm 6.3 NFRC Simulation Manual, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2013. [8] Bisco 10.0w. Manuale dell'utente, Physibel, 2012.