Comportamento termico delle coperture – Stagione estiva

Al fine di limitare il fabbisogno per la climatizzazione estiva e di contenere la temperatura interna degli ambienti (esigenza che trova peraltro riscontro anche nelle disposizioni legislative attualmente in vigore), è opportuno verificare il comportamento “inerziale” della chiusura.
Durante la stagione estiva, inoltre, il calcolo degli apporti solari sulla parte opaca (che di solito viene trascurato nei calcoli in stagione invernale) può assumere un significativo contributo nel bilancio energetico.

Il comportamento inerziale delle strutture che definiscono l’ambiente in esame può essere verificato attraverso la valutazione di due parametri: il fattore di attenuazione f_a ed il coefficiente di sfasamento Φ.
Il riferimento normativo per il calcolo di questi fattori è la UNI EN ISO 13786:2001.

− Il fattore di attenuazione f_a è uguale al rapporto fra il massimo flusso della parete capacitiva ed il massimo flusso della parete a massa termica nulla; esso dunque qualifica la riduzione di ampiezza dell’onda termica nel passaggio dall’esterno all’interno dell’ambiente attraverso la struttura in esame (Figura 1).

− Il coefficiente di sfasamento Φ (espresso in ore) rappresenta il ritardo temporale del picco di flusso termico della parete capacitiva rispetto a quello istantaneo, nel passaggio dall’esterno all’interno dell’ambiente attraverso la struttura in esame (Figura 1).

Figura 1. Fattore di attenuazione e sfasamento

La stima della trasmissione degli apporti solari da parte degli elementi opachi si basa sul concetto di temperatura aria-sole, ovvero una temperatura “fittizia” che nella sua determinazione trascura qualunque flusso di calore dalla superficie verso l’interno. Questa temperatura non rappresenta la temperatura superficiale reale dell’elemento ma è una temperatura ideale.

Il flusso di calore areico che interessa una chiusura in un determinato istante è dato dalla seguente relazione:

dove:
– T_e,m è la temperatura fittizia media giornaliera (detta temperatura aria-sole);
– T_i è la temperatura dell’aria interna;
– T_e,t-Φ è la temperatura fittizia, all’ora t-Φ;
– f_a è il fattore di attenuazione (dipendente dalle caratteristiche dei materiali che costituiscono la stratigrafia della struttura);
– Φ è lo sfasamento (dipendente dalle caratteristiche dei materiali che costituiscono la stratigrafia della struttura);

in cui la temperatura “fittizia” è data dalla relazione:

dove:
– T_ae,t è la temperatura dell’aria esterna;
– α è il coefficiente di assorbimento della parete;
– I_t è l’irradianza solare [W/m²];
– h_e è il coefficiente liminare esterno;
– ε è l’emissività emisferica della superficie;
– ΔR è la differenza tra la radiazione a onda lunga incidente sulla superficie dal cielo e dall’intorno e la radiazione emessa da un corpo nero alla temperatura dell’aria esterna [W/m²]. Questo valore dipende dalle condizioni di copertura della volta celeste (un appropriato valore di ΔR è circa 63 W/m²) .

Nel caso delle coperture, infatti, nell’equazione della temperatura aria-sole va incluso anche un termine che tiene conto dell’emissione di calore che avviene per irraggiamento.

Dalle formule appare evidente il ruolo dell’inerzia termica delle chiusure, che è quindi da intendersi come la capacità delle chiusure dell’involucro edilizio di governare (nel tempo) le pulsazioni del flusso termico entrante.

È in quest’ottica che va letto il valore del coefficiente di sfasamento Φ, che, per le nostre latitudini, si dovrebbe attestare su valori minimi intorno alle 9 ore, così come il valore del fattore di attenuazione, che dovrebbe essere preferibilmente il più basso possibile.

A seguito dei flussi termici entranti attraverso le chiusure, le pulsazioni termiche risultanti in ambiente possono essere governate dalla presenza delle masse interne a contatto con l’aria dell’ambiente. È proprio questo il ruolo dell’inerzia ambientale (si è soliti riferirsi all’indice di inerzia ambientale).
Gli effetti dovuti all’inerzia termica degli ambienti sono, in generale, riconducibili a:
− moderazione delle fluttuazioni di temperatura all’interno dell’ambiente dovute alle variazioni cicliche dei flussi termici entranti;
− spostamento temporale dei picchi di domanda dell’impianto di climatizzazione in ore in cui l’uso degli ambienti provoca condizioni di carico meno gravose, grazie all’accumulo di energia nella massa dell’edificio.

Nei climi caldi, o comunque nella stagione estiva, le strutture dotate di elevata capacità termica accumulano calore durante il giorno e lo rilasciano durante le ore notturne.

Questo si traduce sostanzialmente in una riduzione della richiesta di energia ed in un aumento delle condizioni di comfort termico, poiché la temperatura superficiale (e quindi quella radiante) risulta essere minore di quella dell’aria nei momenti di picco giornalieri.
Nei climi più freddi, o comunque nella stagione invernale, la capacità termica risulta in grado di immagazzinare il calore proveniente dalla radiazione solare giornaliera, cedendola nelle ore serali e notturne mitigando l’ambiente.

In conclusione, preme sottolineare come, riferendosi al comportamento ambientale, la capacità termica che contribuisce sia soprattutto quella che compete alle superfici interne a contatto con l’aria dell’ambiente. Il flusso di calore entrante Q è legato alla trasmittanza U della chiusura. Risulta in ogni caso più efficace agire direttamente sull’isolamento qualora non sia possibile sfruttare la capacità termica.

La posizione in cui lo strato isolante viene inserito nella chiusura ha ripercussioni sulla dinamica dello scambio termico, sebbene in regime stazionario esso risulti essere ininfluente.
Posizionando l’isolamento sul lato interno di una chiusura se ne separa la massa termica dal contatto diretto con l’ambiente.
In questo modo esso sarà portato a regime molto più rapidamente da un eventuale impianto di climatizzazione, così come si allontanerà velocemente dalle condizioni di equilibrio raggiunte una volta che l’impianto sarà spento.

Al contrario, se l’isolamento termico viene posto sul lato esterno di una chiusura, la massa termica della stessa viene inglobata in quella dell’ambiente. In questo modo le fluttuazioni delle temperature sia dell’aria, sia superficiali, risultano essere mitigate. Sotto queste condizioni l’ambiente impiega più tempo a riscaldarsi e raffreddarsi rispetto a quanto avveniva nel caso precedente.

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