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Fenomeni condensativi

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Aspetti di teoria e di progettazione

A cura di: Ing. Sergio Croce
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Fra gli aspetti principali concernenti la salubrità degli ambienti (con riferimento al terzo requisito essenziale – Igiene, salute ed ambiente – della Direttiva Prodotti da Costruzione CPD 106/89 EC) vi sono senza dubbio i fenomeni di condensazione interstiziale e condensazione superficiale, che hanno conseguenze anche sulla prestazione termica, sulla durabilità e sull’aspetto dei materiali e dei componenti edilizi. Storicamente questa tipologia di problemi si sviluppò con l’introduzione di tecnologie stratificate ed in conseguenza dell’incremento della tenuta all’aria dei serramenti esterni (con la crisi energetica degli anni ’70).

Condensazione interstiziale e condensazione superficiale
In un componente edilizio posto fra due ambienti si ha condensazione interstiziale quando il vapore acqueo che lo attraversa condensa all’interfaccia fra due strati oppure all’interno dei pori dei materiali costituenti gli strati del componente edilizio stesso. Le forzanti sono la differenza di pressione e la differenza di temperatura – anche se quest’ultima in misura minore – fra i due ambienti (interno/esterno o interno/interno) separati dal componente edilizio considerato, mentre i parametri che intervengono nel regolare il fenomeno sono le resistenze termiche e le permeabilità al vapore di ogni strato.
Si ha invece condensazione superficiale, ovvero la formazione di condensa sulla superficie interna e/o esterna dei componenti
edilizi, quando la temperatura superficiale scende al di sotto della temperatura di rugiada. Le forzanti sono quindi la temperatura e l’umidità relativa ambientali e della superficie interessata, mentre ad intervenire nella regolazione del fenomeno vi è anche la rugosità della superficie (quindi la sua capacità di adsorbire molecole di acqua).
In generale i punti critici per la formazione di condensazione sia superficiale che interstiziale sono in corrispondenza di ponti termici e di discontinuità delle proprietà igrotermiche. Luoghi preferenziali per la condensazione sulle superfici interne sono inoltre tutti i punti in cui è limitata la circolazione ed il ricambio dell’aria.

Effetti dei fenomeni condensativi
Gli effetti principali dei fenomeni condensativi riguardano lo sviluppo di condizioni favorevoli allo sviluppo di muffe, l’incremento della conducibilità termica dei materiali e la predisposizione allo sviluppo di processi di degrado dei materiali.
La condensazione superficiale può favorire la proliferazione di organismi biologici (muffe, funghi, ecc.), che possono generare condizioni insalubri, dare luogo a fenomeni di degrado (specie per il legno) e produrre condizioni di discomfort termoigrometrico.
La formazione di un film di condensa sulla superficie di metalli non inossidabili favorisce inoltre processi di corrosione.
In caso di accumulo di acqua di condensa interstiziale negli strati isolanti, invece, si può avere un decadimento della resistenza
termica
. I prodotti isolanti hanno infatti bassa conducibilità termica in ragione della presenza nei loro pori – di ridotte dimensioni – di aria ferma che ha bassa conducibilità termica (da circa 0.0222 W/mK a – 20 °C a circa 0.0272 W/mK a + 50 °C).
L’acqua che si accumula nei pori (sostituendosi all’aria o ad altra miscela di gas) ha invece una conducibilità termica molto maggiore (pari a 0.61 W/mK a 20°C e pari a 2.30 W/mK a – 20°C, quindi ghiaccio) e per questo motivo l’effettiva conducibilità globale dello strato (matrice solida più acqua, nei suoi stati di aggregazione, ed aria) risulta molto maggiore di quella di progetto.
Un altro effetto dell’accumulo di condensa interstiziale è il favorire processi di degrado dei materiali. In particolare nel caso di presenza di condensa negli strati esterni di un pannello isolante, sulla cui interfaccia esterna si abbiano temperature al di sotto dello zero si ha formazione di ghiaccio ed all’innalzarsi della temperatura (si tenga conto che con temperature nell’intorno di – 20 °C l’acqua ghiaccia nei pori di qualunque dimensione) si hanno quindi cicli di gelo – disgelo che disgregano la matrice solida dell’isolante ed aumentano la dimensione dei pori.
Anche qualora non si abbia formazione di ghiaccio, l’acqua accumulata indebolisce meccanicamente i materiali, che risultano quindi maggiormente sensibili alle variazioni dimensionali dovute alle variazioni cicliche e giornaliere di temperatura.
I cicli di condensazione interstiziale costituiscono inoltre un motivo di variazione del contenuto d’acqua e danno quindi luogo a variazioni dimensionali dovute all’umidità. La presenza, infine, di quantità rilevanti di acqua nei pori consente la migrazione di sali igroscopici e quindi lo sviluppo di fenomeni quali efflorescenze e cripto-efflorescenze.

Strumenti di valutazione e controllo del rischio di condensazione interstiziale e superficiale
I più noti metodi di valutazione del rischio di condensazione interstiziale sono quelli del tipo di Glaser (come in UNI EN ISO 13788), che considerando la diffusione del vapore acqueo (secondo la legge di Fick) indicano rischio di condensazione interstiziale quando la pressione parziale del vapore (ovvero la differenza di pressione fra i due ambienti separati dal componente edilizio) raggiunge la pressione di saturazione (ovvero la pressione, in funzione della temperatura a cui si trova l’interfaccia considerata, per la quale si ha saturazione della soluzione del vapore acqueo in aria e quindi condensa).
Graficamente si individua l’interfaccia in cui si verifica condensazione dove la linea della pressione parziale è tangente alla pressione di saturazione (Figura 1). La norma propone inoltre un metodo per calcolare se l’acqua condensata rievapora e fissa, per classi di materiali, quantità limite di condensa ammissibile alla fine del periodo di condensazione (ovvero la condensa formatasi al termine del periodo di riscaldamento dovrà essere evaporata prima dell’inizio della successiva stagione di riscaldamento).




Figura 1
Profilo delle pressioni parziali di vapore e delle pressioni di saturazione in caso di condensazione in una interfaccia



Nella norma UNI EN ISO 13788 è inoltre proposto un metodo per la valutazione del rischio di condensazione superficiale, che consente di calcolare, in funzione di temperatura ed umidità relativa interna, la temperatura superficiale interna sotto cui è probabile la proliferazione di muffe.
Esistono modelli più avanzati (richiamati anche nella stessa norma), in genere alle differenze finite, che considerano come forzanti i dati climatici orari, per il calcolo del trasporto accoppiato di calore ed umidità, i quali permettono una valutazione più precisa dell’andamento del contenuto d’acqua nei componenti edilizi. Questi modelli di calcolo necessitano però di una rilevante quantità e precisione dei dati in ingresso (sia per quanto concerne i dati climatici che per le proprietà igrotermiche dei materiali) e sono attualmente diffusi solo in ambito di ricerca.

Limitazioni dei metodi normati semplificati
I metodi semplificati di valutazione del tipo di Glaser presentano tuttavia diverse limitazioni poiché trascurano molti aspetti del reale fenomeno fisico, di seguito discussi.

- Approssimazioni del modello e dei meccanismi di trasporto
Prima di tutto viene considerato lo scambio termico in regime stazionario e solo un meccanismo di trasporto per l’umidità, ovvero la diffusione del vapore, mentre fra i meccanismi di trasporto rilevanti nei mezzi porosi vi sono anche la conduzione per capillarità, la diffusione superficiale (l’acqua adsorbita sulla superficie diffonde negli strati interni) ed infine, anche se in casi particolari, la diffusione in polimeri (le molecole d’acqua diffondono all’interno della catena di macromolecole di polimeri utilizzati, ad esempio, per barriere al vapore e causano rigonfiamenti). A queste forzanti si aggiunge naturalmente anche la forza di gravità, che in alcuni casi (specialmente per quanto riguarda le coperture) può fornire un contributo niente affatto trascurabile. Il trasporto non è monodimensionale ed i meccanismi che lo governano sono combinati fra loro; perciò l’acqua non rimane confinata sull’interfaccia in cui si è verificata la condensa, ma è soggetta a trasporto in fase liquida.
Nel caso delle coperture, ad esempio, ciò significa che se si verifica condensazione interstiziale in uno strato al di sopra di uno strato isolante non protetto, l’acqua tenderà a penetrare nell’isolante in ragione della diffusione superficiale, dell’assorbimento capillare e della gravità.

- Approssimazioni delle forzanti
I metodi normati considerano inoltre dati climatici medi mensili e non prendono in esame lo scambio termico radiativo, assumendo quindi in regime invernale temperature della superficie esterna molto maggiori di quelle reali in esercizio (che in condizioni invernali notturne di cielo sereno possono risultare anche di diversi gradi al di sotto della temperatura dell’aria esterna) e molto minori in regime estivo. Ciò può produrre una sottostima del rischio di condensazione, specie nel caso delle coperture, che hanno elevati fattori di vista del cielo (in maniera inversamente proporzionale alla pendenza della falda) ed una sovrastima del tempo di rievaporazione. Il metodo normato non tiene inoltre conto delle infiltrazioni d’aria e della ventilazione e nel caso delle coperture, pertanto, non consente di valutare il contributo fornito da strati di micro-ventilazione.

- Approssimazione dei dati di input sulle proprietà dei materiali
Non è considerata inoltre la preesistenza di acqua (acqua iniziale, acqua adsorbita all’interno dei pori per equilibrio igroscopico ed eventuali infiltrazioni), che altera sia le proprietà di resistenza alla diffusione del vapore (che decresce all’aumentare dell’umidità relativa nei pori) che la conducibilità termica. Non sono infine valutati i contributi del calore latente delle transizioni di fase. Perciò il calcolo del profilo di temperatura, in funzione del quale sono calcolate le pressioni di saturazione, risulta fortemente approssimato (in alcuni casi l’errore è consistente).

Spunti progettuali
Si è visto dunque come calcolare con precisione la formazione di condensa e la sua posizione all’interno di un componente edilizio risulti estremamente complesso, ma se fra gli scopi della progettazione vi è l’evitare la presenza di acqua all’interno dei componenti edilizi, non ci si può limitare a considerare l’acqua dovuta ai fenomeni condensativi. Occorre pertanto, prima di tutto, garantire la tenuta all’acqua (anche limitate infiltrazioni, come discusso, possono alterare le proprietà igrotermiche) e controllare il contenuto d’acqua iniziale ovvero sia l’acqua inizialmente contenuta nei materiali utilizzati per la realizzazione del componente edilizio (soprattutto l’acqua adsorbita per igroscopia ed assorbita durante lo stoccaggio in cantiere), sia l’acqua di costruzione (prediligendo quindi le tecniche e le tecnologie che consentono di limitarla), sia l’accumulo di acqua durante la posa.
Per controllare i rischi di condensazione, quando l’apporto di acqua da altre fonti è stato governato, è opportuno agire sia sulla ventilazione degli ambienti interni (garantendo i ricambi d’aria e quindi il controllo dell’umidità relativa interna) e delle intercapedini sottotetto (per evitare il raggiungimento di elevati valori di umidità relativa dell’aria esterna rispetto agli strati di isolamento), sia sulla scelta dei materiali, prediligendo una disposizione di strati avente resistenza alla diffusione del vapore decrescente dall’interno verso l’esterno ed effettuando un’attenta valutazione dell’utilizzo di uno strato di barriera al vapore, considerando soprattutto i dettagli costruttivi.



Figura 2
Patologia condensativa indotta dalla mancanza di barriera al vapore


Se si introduce un freno o una barriera al vapore, infatti, ne va garantita innanzitutto la continuità, che risulta peraltro fortemente dipendente dalla posa in opera. Bisogna inoltre considerare se la riduzione o il totale impedimento della diffusione del vapore possa avere conseguenze sugli strati o sugli elementi interni (ad esempio rasature a gesso o elementi metallici).
Una barriera al vapore deve invece essere necessariamente prevista all’intradosso di uno strato isolante, qualora sopra di questo sia disposta una membrana impermeabile.
Se si introduce uno strato di micro-ventilazione sottotetto può risultare opportuno disporre sopra l’isolante uno strato traspirante impermeabile all’acqua, poiché occorre fare in modo che il vapore acqueo permeato non condensi sulla superficie esterna dell’isolante e comunque, nel caso di eventuale condensa superficiale, occorre evitare che l’acqua allo stato liquido possa essere adsorbita e permeare all’interno dell’isolante (per diffusione superficiale, assorbimento capillare e gravità, come discusso sopra).
In generale è preferibile evitare un isolamento dall’interno (a meno di esigenze particolari come nei casi di recupero), visto che la condensazione interstiziale sarebbe favorita (essendo minore la pressione di saturazione poiché a temperature inferiori l’aria può contenere una minore quantità di acqua) e risulterebbe estremamente difficile garantire la continuità di una barriera al vapore in corrispondenza dei nodi costruttivi. È inoltre consigliabile introdurre intercapedini d’aria all’estradosso dell’isolante.
Un altro importante aspetto da governare è, infine, la tenuta all’aria dell’involucro, poiché in presenza di rilevanti infiltrazioni ed exfiltrazioni l’umidità relativa interna risulta difficile da controllare.
Appare quindi chiaro che, per evitare fenomeni di condensa (interstiziale e superficiale), occorre curare la progettazione e la realizzazione dell’organismo edilizio nel suo insieme.
In sintesi si può affermare che assicurare condizioni di comfort per l’utenza significa anche garantire “condizioni di comfort per l’edificio”, migliorandone il comportamento nel tempo e le prestazioni globali.

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