Fondamenti fisici dell’isolamento termico

Introduzione

Il trasferimento del calore è uno dei fenomeni fisici più importanti che interessano il mondo che ci circonda. Ogni volta che esiste una differenza di temperatura tra due corpi o tra due ambienti, l’energia termica tende a trasferirsi spontaneamente dalla zona più calda verso quella più fredda. Conoscerlo significa comprendere appieno i fondamenti dell’isolamento termico.

Questo principio governa un numero enorme di applicazioni: dall’isolamento degli edifici alla coibentazione di impianti industriali, dalla protezione termica di tubazioni e serbatoi fino al controllo della temperatura nei processi produttivi, nei mezzi di trasporto e nelle imbarcazioni.

L’obiettivo di qualsiasi sistema di isolamento termico è rallentare questo trasferimento di energia, riducendo gli scambi di calore senza impedirli completamente. Comprendere i meccanismi fisici che regolano tale fenomeno è quindi il primo passo per interpretare correttamente il comportamento dei materiali isolanti e valutare in modo consapevole le diverse tecnologie disponibili.

In questo capitolo verranno analizzati i principi fondamentali della trasmissione del calore, le principali grandezze utilizzate per descrivere le prestazioni termiche dei materiali e alcuni fenomeni che influenzano direttamente l’efficienza di un sistema isolante, come i ponti termici, la condensa e l’inerzia termica.

Le conoscenze acquisite costituiranno la base per comprendere i capitoli successivi dedicati alle nanotecnologie, ai materiali isolanti, alle certificazioni e alle applicazioni nei diversi settori.

1.1 Come si trasmette il calore

Il calore è una forma di energia in continuo movimento. Ogni volta che due corpi si trovano a temperature differenti, tra essi si instaura spontaneamente un trasferimento di energia che tende a ridurre tale differenza.

Questo fenomeno interessa qualsiasi materiale e qualsiasi settore applicativo. Le stesse leggi fisiche regolano infatti il comportamento termico di una parete, di una tubazione industriale, di una copertura metallica, di uno scafo navale, di un serbatoio o di una cella frigorifera. Cambiano i materiali, cambiano le condizioni di esercizio e cambiano gli obiettivi progettuali, ma i principi che governano il trasferimento del calore rimangono gli stessi.

Per comprendere il funzionamento di un materiale isolante è quindi necessario partire da questi principi fondamentali, che costituiscono anche i fondamenti dell’isolamento termico.

Calore e temperatura non sono la stessa cosa

Nel linguaggio comune i termini calore e temperatura vengono spesso utilizzati come sinonimi. Dal punto di vista della fisica, però, rappresentano due grandezze profondamente differenti.

La temperatura descrive lo stato energetico di un corpo ed è legata all’energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono. Maggiore è l’agitazione degli atomi e delle molecole, maggiore sarà la temperatura del materiale.

Il calore, invece, è energia in transito. Esso esiste soltanto quando vi è una differenza di temperatura tra due corpi e consiste nel trasferimento spontaneo di energia dal corpo più caldo a quello più freddo.

Questa distinzione è fondamentale perché un sistema di isolamento termico non elimina il calore né impedisce il raffreddamento di un corpo. Il suo compito è rallentare il trasferimento dell’energia termica, riducendo la velocità con cui avvengono gli scambi.

La direzione del flusso termico

Uno dei principi fondamentali della termodinamica afferma che il calore si trasferisce spontaneamente da una zona a temperatura maggiore verso una zona a temperatura minore fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.

La direzione del flusso dipende quindi esclusivamente dalla differenza di temperatura esistente tra i due sistemi.

Ad esempio:

• in inverno il calore tende a disperdersi dall’interno di un edificio verso l’ambiente esterno;
• in estate il flusso si inverte e il calore proveniente dall’esterno tende a entrare nell’edificio;
• in una tubazione che trasporta un fluido caldo il calore tende a propagarsi verso l’ambiente circostante;
• in una cella frigorifera il calore esterno tende continuamente a penetrare all’interno.

L’isolamento termico agisce rallentando questo trasferimento, indipendentemente dalla direzione del flusso.

Le tre modalità di trasmissione del calore che definiscono i fondamenti dell’isolamento termico

Il trasferimento del calore può avvenire attraverso tre differenti meccanismi fisici:

• conduzione, tipica dei materiali solidi;
• convezione, dovuta al movimento di fluidi come aria e acqua;
• irraggiamento, che avviene mediante onde elettromagnetiche e non richiede un mezzo materiale.

Nella pratica questi tre fenomeni sono quasi sempre contemporaneamente presenti e contribuiscono, in misura diversa, al comportamento termico di un sistema.

Nei paragrafi successivi verranno analizzati singolarmente per comprenderne il funzionamento e il ruolo nei diversi ambiti applicativi.

Perché è importante comprendere questi fenomeni

Quando si confrontano due sistemi di isolamento è frequente concentrarsi esclusivamente sullo spessore del materiale o sul valore della conducibilità termica dichiarato dal produttore.

In realtà il comportamento termico di un sistema dipende dall’interazione di numerosi fenomeni fisici che agiscono contemporaneamente.

Comprendere come si trasmette il calore significa interpretare correttamente le prestazioni dei materiali, valutarne i limiti e scegliere la soluzione più adatta alle specifiche esigenze progettuali, indipendentemente dal settore di applicazione.

1.2 Conduzione termica

La conduzione termica è il meccanismo di trasmissione del calore che avviene all’interno di un materiale o tra due corpi a contatto diretto, senza che vi sia uno spostamento macroscopico della materia.

In altre parole, come illustrato in Figura 4., durante la conduzione le particelle che costituiscono il materiale non si muovono da una zona all’altra, ma trasferiscono energia alle particelle adiacenti attraverso le loro interazioni microscopiche. Il risultato è un flusso continuo di calore dalla zona a temperatura maggiore verso quella a temperatura minore.

La conduzione interessa principalmente i solidi, nei quali gli atomi sono strettamente legati tra loro e possono trasmettere energia con grande efficacia. Nei materiali metallici il fenomeno è ulteriormente favorito dalla presenza di elettroni liberi, che contribuiscono al trasporto dell’energia termica.

La Legge di Fourier

Parlando di fondamenti dell’isolamento termico, non si può prescindere dalla Legge di Fourier.

La conduzione termica è descritta dalla Legge di Fourier, formulata dal matematico e fisico francese Jean-Baptiste Joseph Fourier nel XIX secolo. Essa rappresenta una delle equazioni fondamentali della trasmissione del calore.

q = -k ∇T

dove:

• q è il flusso termico [W/m²];
• k è la conducibilità termica del materiale [W/m⋅K]
• ∇T rappresenta il gradiente di temperatura, cioè la variazione della temperatura nello spazio.

Il segno negativo indica che il flusso di calore è sempre diretto verso temperature inferiori, in accordo con il secondo principio della termodinamica.

Da cosa dipende la conduzione termica?

L’intensità del flusso di calore per conduzione dipende da diversi fattori:

• la differenza di temperatura tra le due zone;
• la conducibilità termica del materiale, che esprime la sua capacità di trasmettere il calore;
• lo spessore attraversato dal flusso termico;
• l’area della superficie attraverso cui il calore si trasferisce.

A parità delle altre condizioni, un materiale con elevata conducibilità termica trasmette il calore più rapidamente rispetto a un materiale con bassa conducibilità.

Buoni e cattivi conduttori

Non tutti i materiali conducono il calore con la stessa efficacia.

I metalli, come rame, alluminio e acciaio, sono generalmente ottimi conduttori termici e vengono impiegati quando è necessario favorire lo scambio di calore, ad esempio negli scambiatori di calore o nei dissipatori.

Materiali come il legno, il sughero, le fibre minerali, le schiume polimeriche e molti materiali isolanti presentano invece una conducibilità molto più bassa e rallentano il trasferimento del calore.

È importante sottolineare che nessun materiale è un isolante perfetto: tutti conducono il calore, ma con intensità molto diversa.

DAL CAMPO

Riduzione della temperatura superficiale in una centrale termica

In una centrale termica a Milano, le tubazioni presentavano una temperatura superficiale di circa 80 °C, con conseguente dispersione di calore verso l’ambiente circostante.

Per limitare lo scambio termico senza ricorrere a un isolamento di elevato spessore, sulla superficie della tubazione è stato applicato AES TECH, isolamento termico nanotecnologico applicabile a spruzzo, con uno spessore di circa 3 mm.

Dopo l’intervento, la temperatura superficiale rilevata è risultata pari a circa 31 °C.

Dati dell’intervento

• Temperatura superficiale iniziale: 80 °C
• Spessore applicato: 3 mm
• Temperatura superficiale finale: 31 °C
• Riduzione della temperatura superficiale: 49 °C

Il caso mostra concretamente come la conduzione attraverso uno strato isolante influenzi la temperatura della superficie esterna. Il dato non rappresenta una prestazione generalizzabile a qualsiasi applicazione: il risultato dipende dalle condizioni operative, dalla temperatura del fluido, dalla geometria, dal supporto, dallo spessore applicato e dagli scambi termici con l’ambiente.

Dalla teoria alla pratica: la conducibilità termica descrive una proprietà del materiale; il comportamento reale di un sistema isolato deve invece essere valutato nelle specifiche condizioni di esercizio.

La conduzione nell’isolamento termico

La conduzione rappresenta uno dei principali meccanismi attraverso cui il calore attraversa una parete, una tubazione, una copertura, uno scafo navale o qualsiasi altro elemento solido.

Per questo motivo la conducibilità termica (λ) costituisce uno dei parametri fondamentali utilizzati per valutare le prestazioni di un materiale isolante. Tuttavia, come vedremo nei prossimi paragrafi, essa non è l’unico fattore che determina il comportamento termico di un sistema: convezione e irraggiamento contribuiscono infatti al trasferimento del calore e devono essere considerati insieme alla conduzione.

1.3 Convezione

La convezione termica è il meccanismo di trasmissione del calore che avviene attraverso il movimento di un fluido, come un gas o un liquido. A differenza della conduzione, nella quale l’energia viene trasmessa tra particelle adiacenti senza spostamento della materia, nella convezione è il fluido stesso a trasportare il calore durante il suo movimento.

Questo fenomeno interessa principalmente aria e acqua, ma può verificarsi in qualsiasi fluido, naturale o artificiale, ed è uno dei tre meccanismi fondamentali della trasmissione del calore.

Come avviene la convezione

Quando una porzione di fluido viene riscaldata, la sua temperatura aumenta e, nella maggior parte dei casi, la sua densità diminuisce. Il fluido più caldo tende quindi a salire, mentre quello più freddo, essendo più denso, tende a scendere come mostrato in Figura 7.

Questo movimento genera correnti convettive che trasportano continuamente energia termica da una zona all’altra.

Il calore non si propaga quindi esclusivamente per contatto tra particelle, come avviene nella conduzione, ma viene trasferito insieme al movimento del fluido.

Convezione naturale e convezione forzata

La convezione può avvenire secondo due modalità, come mostrato in Figura 8.

Convezione naturale

La convezione naturale si sviluppa spontaneamente per effetto delle differenze di temperatura e di densità presenti all’interno del fluido.

Sono esempi di convezione naturale:

• l’aria calda che sale sopra un radiatore;
• l’acqua che circola all’interno di una pentola durante l’ebollizione;
• le correnti atmosferiche generate dal riscaldamento del suolo.

In tutti questi casi il movimento del fluido è prodotto esclusivamente dalle forze di galleggiamento dovute alle differenze di densità.

Convezione forzata

Nella convezione forzata il movimento del fluido è invece provocato da un’azione esterna, come una pompa, un ventilatore o un compressore.

Ne sono esempi:

• l’aria movimentata da un ventilatore;
• l’acqua spinta da una pompa in un circuito;
• i fluidi che circolano all’interno di uno scambiatore di calore.

Poiché il fluido si muove più rapidamente, lo scambio termico risulta generalmente più intenso rispetto alla convezione naturale.

Da cosa dipende la convezione

L’intensità dello scambio termico per convezione dipende da numerosi fattori, tra cui:

• la differenza di temperatura tra la superficie e il fluido;
• la velocità del fluido;
• le proprietà fisiche del fluido (densità, viscosità, calore specifico e conducibilità termica);
• la geometria della superficie interessata;
• il tipo di moto del fluido (laminare o turbolento).

L’insieme di questi fattori viene generalmente descritto attraverso il coefficiente di scambio termico convettivo (h), che esprime la capacità di una superficie di scambiare calore con il fluido circostante.

La Legge di Newton del raffreddamento

Lo scambio termico per convezione è descritto dalla Legge di Newton del raffreddamento, secondo la quale il flusso di calore è proporzionale alla differenza di temperatura tra la superficie e il fluido.

La relazione può essere espressa come:

q= hA(T_s − T_f)

dove:

• q è il flusso termico [W/m²];
• h è il coefficiente di scambio termico convettivo[W/(m²·K)];
• A è l’area della superficie di scambio [m²]
• Tₛ è la temperatura della superficie;
• T_f è la temperatura del fluido.

A parità delle altre condizioni, maggiore è il coefficiente h, maggiore sarà lo scambio di calore tra la superficie e il fluido.

Il ruolo della convezione nell’isolamento termico

Parlando di fondamenti dell’isolamento termico, è bene sottolineare come la convezione influenzi il comportamento termico di qualsiasi sistema nel quale sia presente un fluido, sia esso aria o liquido.

Per questo motivo, nella progettazione di sistemi di isolamento termico non è sufficiente considerare esclusivamente la conduzione all’interno dei materiali. Anche gli scambi convettivi che avvengono sulle superfici possono incidere in modo significativo sulle prestazioni complessive.

Nei capitoli successivi vedremo come la convezione contribuisca alla determinazione della trasmittanza termica e perché il controllo dei moti convettivi sia fondamentale per migliorare l’efficienza energetica e il comfort.

1.4 Irraggiamento

L’irraggiamento è il meccanismo di trasmissione del calore che avviene mediante l’emissione e l’assorbimento di radiazione elettromagnetica.

A differenza della conduzione e della convezione, l’irraggiamento non richiede il contatto diretto tra i corpi né la presenza di un mezzo materiale. L’energia termica può infatti propagarsi anche nel vuoto, come dimostra il calore proveniente dal Sole che raggiunge la Terra attraversando lo spazio.

Ogni corpo con una temperatura superiore allo zero assoluto (0 K) emette continuamente energia sotto forma di radiazione termica. Contemporaneamente, ogni superficie assorbe parte della radiazione proveniente dall’ambiente circostante. Lo scambio termico per irraggiamento dipende quindi dal bilancio tra energia emessa ed energia assorbita.

Come avviene l’irraggiamento

L’energia irradiata si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche. Alle temperature normalmente presenti negli edifici, negli impianti industriali e nella maggior parte delle applicazioni tecniche, la radiazione emessa appartiene prevalentemente alla banda dell’infrarosso.

Quando la radiazione incontra una superficie possono verificarsi tre fenomeni contemporaneamente:

• una parte dell’energia viene assorbita dal materiale;
• una parte viene riflessa;
• una parte può essere trasmessa attraverso il materiale, se questo è parzialmente trasparente alla radiazione.

La somma delle tre componenti è sempre pari all’energia incidente.

Emissività e riflettanza

La capacità di una superficie di emettere energia per irraggiamento è descritta dall’emissività (ε), un coefficiente adimensionale compreso tra 0 e 1.

• ε = 1 identifica il corpo nero ideale, che emette la massima quantità di radiazione possibile alla propria temperatura.
• Valori di emissività prossimi a 0 indicano superfici che emettono poca energia e riflettono gran parte della radiazione incidente.

In generale, le superfici metalliche lucide presentano emissività molto basse e un’elevata riflettanza, mentre superfici opache, scure o ossidate tendono ad avere emissività elevate e assorbono una maggiore quantità di energia radiante.

La Legge di Stefan-Boltzmann

La potenza irradiata da una superficie è descritta dalla Legge di Stefan-Boltzmann, secondo la quale l’energia emessa è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta della superficie.

La relazione fondamentale è:

• q = potenza irradiata [W/m²]
• ε = emissività della superficie
• σ = costante di Stefan-Boltzmann $)$
• T = temperatura assoluta della superficie [K]

Questa equazione descrive l’energia emessa da una singola superficie.

Quando invece si considera lo scambio radiativo tra due superfici a temperature differenti, il flusso termico netto è espresso da:

dove:

• Tₛ è la temperatura assoluta della superficie;
• Tₐ è la temperatura assoluta dell’ambiente o della superficie con cui avviene lo scambio.

Poiché la temperatura compare elevata alla quarta potenza, anche piccole variazioni di temperatura possono produrre differenze significative nello scambio di calore per irraggiamento.

Da cosa dipende l’irraggiamento

L’intensità dello scambio termico per irraggiamento dipende principalmente da:

• la temperatura delle superfici coinvolte;
• la differenza di temperatura tra i corpi;
• l’emissività delle superfici;
• la riflettanza dei materiali;
• la geometria reciproca delle superfici (fattore di vista).

L’insieme di questi parametri determina la quantità di energia che viene emessa, riflessa e assorbita durante lo scambio radiativo.

Il ruolo dell’irraggiamento nell’isolamento termico

L’irraggiamento rappresenta uno dei tre meccanismi fondamentali della trasmissione del calore e può contribuire in modo significativo agli scambi termici tra superfici.

A differenza della conduzione, che dipende principalmente dalle proprietà del materiale, e della convezione, che è influenzata dal movimento del fluido, l’irraggiamento è fortemente legato alle caratteristiche superficiali dei materiali, in particolare alla loro emissività e alla capacità di riflettere la radiazione termica.

Per questo motivo, alcuni sistemi di isolamento non agiscono esclusivamente riducendo la conduzione del calore, ma limitano anche gli scambi radiativi attraverso superfici a bassa emissività, migliorando l’efficienza complessiva del sistema.

Nei paragrafi successivi

Nei capitoli dedicati ai materiali isolanti vedremo come le proprietà radiative delle superfici possano influenzare in modo significativo le prestazioni energetiche di edifici, impianti industriali, tubazioni, serbatoi, coperture e numerose altre applicazioni nelle quali l’irraggiamento rappresenta una componente importante degli scambi termici (approfondendo i fondamenti dell’isolamento termico nei diversi settori).

1.5 λ, U e R spiegati bene

Dopo aver compreso i tre meccanismi fondamentali della trasmissione del calore – conduzione, convezione e irraggiamento – è possibile introdurre i principali parametri utilizzati per descrivere il comportamento termico dei materiali e delle strutture.

Tra questi, i più importanti sono:

• λ (lambda), la conducibilità termica del materiale;
• R, la resistenza termica;
• U, la trasmittanza termica.

Questi tre parametri sono strettamente collegati, ma descrivono aspetti differenti del fenomeno. Comprenderne il significato è fondamentale per interpretare correttamente le schede tecniche dei materiali, confrontare soluzioni costruttive e valutare le prestazioni di un sistema di isolamento.

La conducibilità termica (λ)

La conducibilità termica, indicata con il simbolo λ (lambda), è una proprietà fisica caratteristica di ogni materiale.

Essa esprime la capacità del materiale di trasmettere il calore per conduzione.

Dal punto di vista fisico, λ rappresenta la quantità di calore che attraversa un materiale dello spessore di 1 metro, con una superficie di 1 m², quando tra le due facce esiste una differenza di temperatura di 1 Kelvin (o 1 °C).

L’unità di misura è:

Al contrario, materiali con valori di λ molto bassi ostacolano il passaggio dell’energia termica e risultano quindi più efficaci come isolanti, come mostrato nella sottostante Figura 14.

È importante ricordare che λ dipende esclusivamente dal materiale e non dallo spessore del componente.

La resistenza termica (R)

La resistenza termica, indicata con la lettera R, misura la capacità di uno strato di materiale di opporsi al passaggio del calore.

A differenza della conducibilità, la resistenza termica dipende sia dal materiale sia dal suo spessore.

La relazione è:

dove:

• R = resistenza termica [m²·K/W]
• s = spessore del materiale [m]
• λ = conducibilità termica [W/(m·K)]

L’unità di misura della resistenza termica è:

Maggiore è il valore di R, maggiore sarà la capacità dello strato di limitare il passaggio del calore.

Due materiali con la stessa conducibilità possono quindi avere resistenze termiche molto differenti se vengono utilizzati con spessori diversi.

La trasmittanza termica (U)

La trasmittanza termica, indicata con la lettera U, descrive invece il comportamento termico di un elemento costruttivo completo.

Non riguarda quindi un singolo materiale, ma l’intera stratigrafia di una parete, di una copertura, di un pavimento o di un serramento.

La trasmittanza esprime la quantità di calore che attraversa 1 m² di elemento costruttivo quando tra i due lati esiste una differenza di temperatura pari a 1 Kelvin.

L’unità di misura è:

La trasmittanza è pari all’inverso della resistenza termica complessiva:

dove RT rappresenta la resistenza termica totale della struttura, ottenuta sommando:

• la resistenza superficiale interna;
• le resistenze dei singoli strati;
• la resistenza superficiale esterna.

Minore è il valore della trasmittanza, migliori saranno le prestazioni di isolamento dell’elemento.

Come sono collegati λ, R e U

I tre parametri descrivono livelli diversi dello stesso fenomeno fisico.

• λ descrive il materiale.
• R descrive un determinato spessore di quel materiale.
• U descrive il comportamento dell’intera struttura composta da uno o più materiali.

In altre parole:

• λ è una proprietà del materiale;
• R è una proprietà dello strato;
• U è una proprietà dell’elemento costruttivo.

Un esempio pratico

Immaginiamo due pannelli realizzati con lo stesso materiale.

Entrambi possiedono:

Il secondo avrà una resistenza termica doppia rispetto al primo, perché la resistenza aumenta proporzionalmente allo spessore.

Se questi pannelli vengono inseriti all’interno di una parete, contribuiranno a diminuire la trasmittanza complessiva della struttura, migliorandone l’isolamento termico.

Gli errori più comuni

Uno degli errori più frequenti consiste nel confrontare esclusivamente il valore della conducibilità λ, trascurando lo spessore del materiale.

Un materiale con una conducibilità leggermente migliore non garantisce necessariamente prestazioni superiori se viene applicato con uno spessore significativamente inferiore.

Per valutare correttamente una soluzione isolante è quindi necessario considerare contemporaneamente:

• la conducibilità del materiale (λ);
• lo spessore applicato;
• la resistenza termica ottenuta (R);
• la trasmittanza finale della struttura (U).

Solo analizzando questi parametri nel loro insieme è possibile confrontare correttamente sistemi di isolamento differenti e scegliere la soluzione più adatta alle specifiche esigenze progettuali.

1.6 Inerzia termica e capacità termica

Quando un corpo riceve o cede calore, la sua temperatura non varia istantaneamente. La rapidità con cui avviene questa variazione dipende dalla quantità di energia che il corpo è in grado di accumulare e dalle modalità con cui scambia calore con l’ambiente circostante.

Per comprendere questo comportamento è necessario distinguere due concetti strettamente collegati ma non equivalenti: capacità termica e inerzia termica. Questi concetti sono particolarmente importanti per comprendere i fondamenti dell’isolamento termico ad alto spessore.

La capacità termica

La capacità termica indica la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado la temperatura di un corpo.

La relazione fondamentale è:

Q = C · ΔT

dove:

• Q è la quantità di calore scambiata [J];
• C è la capacità termica del corpo [J/K];
• ΔT è la variazione di temperatura [K].

Maggiore è la capacità termica di un corpo, maggiore è la quantità di energia necessaria per modificarne la temperatura.

La capacità termica, spiegata graficamente in Figura 15. ,  dipende dalla massa del corpo e dal calore specifico del materiale:

C = m · c

dove:

• m è la massa [kg];
• c è il calore specifico [J/(kg·K)].

Due corpi costituiti dallo stesso materiale, ma con masse differenti, possiedono quindi capacità termiche differenti.

Il calore specifico

Il calore specifico è una proprietà caratteristica del materiale e indica quanta energia è necessaria per aumentare di un grado la temperatura di un chilogrammo di quel materiale.

Un materiale con elevato calore specifico può assorbire una quantità relativamente grande di energia subendo una variazione di temperatura contenuta.

È quindi importante distinguere:

calore specifico → proprietà del materiale

capacità termica → proprietà del corpo, dipendente dal materiale e dalla sua massa

Questa distinzione è analoga, per certi aspetti, a quella già incontrata tra conducibilità e resistenza termica: una proprietà caratterizza il materiale, mentre l’altra dipende anche dalla quantità di materiale considerata.

Che cos’è l’inerzia termica

Con inerzia termica si indica, in termini generali, la tendenza di un sistema a opporsi alle variazioni della propria temperatura.

Un corpo con elevata inerzia termica tende a riscaldarsi e raffreddarsi lentamente. Al contrario, un corpo con bassa inerzia termica modifica più rapidamente la propria temperatura quando cambiano le condizioni esterne.

L’inerzia termica non deve però essere considerata semplicemente un sinonimo di capacità termica.

La capacità termica descrive quanta energia deve essere accumulata o ceduta per ottenere una determinata variazione di temperatura. L’inerzia termica riguarda invece il comportamento dinamico nel tempo del sistema e dipende sia dalla sua capacità di accumulare energia sia dalla velocità con cui tale energia viene scambiata.

Un corpo può quindi possedere una notevole capacità di accumulo termico, ma la rapidità con cui la sua temperatura varia dipende anche dalle condizioni di scambio con l’ambiente.

Accumulo e rilascio del calore

Quando un corpo è esposto a un ambiente più caldo, assorbe energia e la sua temperatura aumenta progressivamente. Quando le condizioni si invertono, può cedere all’ambiente parte dell’energia precedentemente accumulata.

Si crea quindi un processo di accumulo e successivo rilascio dell’energia termica.

Questo comportamento è particolarmente importante quando la temperatura esterna varia nel tempo, come avviene nei cicli giorno-notte (ecco perchè è strettamente connesso ai fondamenti dell’isolamento termico tradizionale ad alto spessore, mentre non lo è per gli isolanti nanotecnologici a basso spessore), nei processi industriali intermittenti o nei sistemi sottoposti a riscaldamenti e raffreddamenti periodici.

In questi casi non è sufficiente sapere quanto calore viene trasferito in una determinata condizione: diventa importante conoscere anche come il sistema reagisce nel tempo.

Massa e inerzia termica

A parità di materiale, aumentando la massa aumenta anche la capacità termica del corpo.

Per questo motivo elementi massivi possono generalmente accumulare quantità maggiori di energia prima di subire variazioni significative di temperatura.

Un elemento molto leggero, invece, contiene una quantità minore di materia e tende generalmente a reagire più rapidamente alle variazioni delle condizioni termiche.

La massa, tuttavia, non è l’unico parametro da considerare: il comportamento dinamico dipende anche dal calore specifico dei materiali, dalla conducibilità termica, dalla geometria del sistema e dalle condizioni di scambio con l’ambiente.

Inerzia termica e isolamento non sono la stessa cosa

Un’altra distinzione fondamentale riguarda inerzia termica e isolamento termico.

Un materiale isolante ha la funzione di limitare il trasferimento di calore. Un sistema dotato di elevata inerzia termica, invece, tende a modificare lentamente la propria temperatura grazie alla capacità di accumulare e rilasciare energia nel tempo.

Si tratta quindi di due fenomeni differenti:

isolamento termico → rallenta il trasferimento di energia

inerzia termica → rallenta la variazione della temperatura del sistema

I due effetti possono naturalmente interagire. Riducendo gli scambi termici con l’ambiente, l’isolamento può contribuire a mantenere più a lungo determinate condizioni termiche; la capacità termica determina invece quanta energia il sistema può accumulare per una determinata variazione di temperatura.

Il caso degli isolanti nanotecnologici a basso spessore

Gli isolanti termici nanotecnologici a basso spessore  introducono un principio particolarmente utile per comprendere questa distinzione. Il loro obiettivo non è aumentare in modo significativo la massa o la capacità termica del sistema, ma limitare gli scambi di calore attraverso uno strato di spessore molto ridotto.

Un materiale applicato in pochi millimetri possiede infatti una massa limitata e fornisce generalmente un contributo contenuto alla capacità termica complessiva della struttura. La sua funzione deve quindi essere valutata principalmente in relazione alla capacità di ridurre il trasferimento di energia termica, mentre l’inerzia termica dipende dal comportamento dinamico dell’intero sistema.

Ne deriva una distinzione importante:

Una buona prestazione isolante non implica necessariamente un’elevata inerzia termica, così come un’elevata inerzia termica non implica necessariamente una buona capacità isolante.

Isolamento e inerzia possono contribuire entrambi al comportamento termico di un sistema, ma lo fanno attraverso meccanismi fisici differenti.

Il comportamento in regime variabile

Molte delle grandezze considerate nella trasmissione del calore possono essere descritte facendo riferimento a condizioni stazionarie, nelle quali le temperature non variano nel tempo.

Nella realtà, tuttavia, moltissimi fenomeni termici avvengono in regime variabile, o transitorio.

La temperatura dell’ambiente cambia, una superficie viene riscaldata dal Sole, un impianto viene acceso o spento, un fluido caldo comincia a circolare in una tubazione oppure un serbatoio viene riempito con un prodotto a temperatura differente da quella dell’ambiente.

In queste condizioni entra in gioco una nuova variabile fondamentale: il tempo.

Capacità termica e inerzia termica permettono quindi di comprendere non soltanto quanto calore viene scambiato, ma anche quanto rapidamente un sistema reagisce alle variazioni delle condizioni termiche.

Da ricordare

Conducibilità, capacità termica e inerzia termica descrivono fenomeni differenti.

La conducibilità termica indica quanto facilmente il calore si propaga per conduzione attraverso un materiale.

La capacità termica indica quanta energia è necessaria per modificarne la temperatura.

L’inerzia termica descrive invece la tendenza di un sistema a reagire più o meno lentamente alle variazioni delle condizioni termiche.

L’isolamento termico nanotecnologico a basso spessore, infine, agisce limitando il trasferimento di energia e non deve essere confuso con la capacità di accumularla, come evidenziato in Figura 17.

Comprendere queste differenze è fondamentale per analizzare correttamente il comportamento termico di materiali e sistemi, soprattutto quando le temperature cambiano nel tempo.

1.7 Ponti termici

In un elemento costruttivo o in un sistema termico il flusso di calore non si distribuisce sempre in modo uniforme. In alcune zone, infatti, la geometria, la presenza di materiali differenti o una discontinuità dello strato isolante possono determinare una maggiore concentrazione del flusso termico.

Queste zone vengono definite ponti termici.

Un ponte termico rappresenta quindi una porzione localizzata del sistema nella quale il trasferimento di calore risulta differente rispetto alle zone circostanti, generalmente più intenso.

Il fenomeno non riguarda esclusivamente gli edifici. Discontinuità termiche possono essere presenti anche in strutture metalliche, impianti industriali, serbatoi, tubazioni, veicoli, imbarcazioni e, più in generale, in qualsiasi sistema nel quale materiali, geometrie o condizioni di isolamento determinino percorsi preferenziali per il trasferimento del calore.

Perché si forma un ponte termico

In una superficie piana, omogenea e sufficientemente estesa, il trasferimento di calore può essere rappresentato in prima approssimazione come un fenomeno monodimensionale: il flusso attraversa l’elemento prevalentemente in direzione perpendicolare alla superficie.

In presenza di una discontinuità, questa rappresentazione non è più sufficiente.

Il campo di temperatura viene perturbato e il flusso termico può assumere una distribuzione bidimensionale o tridimensionale.

Le linee di flusso non rimangono quindi parallele, ma possono deviare e concentrarsi in determinate zone.

Un ponte termico può essere generato principalmente da:

• discontinuità geometriche, come angoli, spigoli e variazioni di forma;
• discontinuità dei materiali, quando materiali con proprietà termiche differenti sono collegati tra loro;
• discontinuità dello strato isolante, dovute a interruzioni, riduzioni di spessore o attraversamenti;
• elementi strutturali o di collegamento caratterizzati da una conducibilità termica maggiore rispetto ai materiali circostanti.

In tutti questi casi cambia localmente la modalità con cui il calore attraversa il sistema (come mostrato in Figura 18.)

Ponti termici geometrici

Un ponte termico geometrico nasce dalla forma stessa dell’elemento.

Un esempio classico è rappresentato dall’angolo tra due pareti. In corrispondenza dell’angolo, la geometria delle superfici attraverso cui viene scambiato calore è differente rispetto a quella presente nella parte centrale della parete.

Il campo termico diventa quindi bidimensionale e le isoterme e le linee di flusso assumono un andamento differente.

Il ponte termico geometrico può essere presente anche quando i materiali sono perfettamente omogenei e lo strato isolante è continuo.

Ponti termici dovuti ai materiali

Un secondo caso si verifica quando il flusso termico incontra materiali con conducibilità termiche differenti.

Se all’interno di un elemento prevalentemente isolante è presente, per esempio, un componente molto più conduttivo, una quota maggiore del flusso termico tenderà ad attraversare quella zona.

Si crea così un percorso termicamente preferenziale.

Il fenomeno è particolarmente evidente in presenza di elementi metallici, perché i metalli possiedono generalmente una conducibilità termica molto maggiore rispetto ai comuni materiali isolanti.

Il principio, tuttavia, è generale e riguarda qualsiasi accostamento tra materiali con proprietà termiche significativamente differenti.

Ponti termici dovuti alla discontinuità dell’isolamento

Un ponte termico può formarsi anche quando uno strato isolante viene interrotto oppure presenta localmente uno spessore inferiore.

In questa zona la resistenza termica diminuisce e il flusso di calore può aumentare.

È quindi importante distinguere tra presenza dell’isolamento e continuità dell’isolamento: anche un materiale caratterizzato da buone proprietà termiche può perdere parte della propria efficacia complessiva se non forma uno strato sufficientemente continuo nei punti critici.

Questo concetto introduce un principio fondamentale nella progettazione termica:

la prestazione di un sistema non dipende soltanto dalle proprietà del materiale isolante, ma anche dalla continuità con cui esso viene applicato.

Come cambia la temperatura superficiale

 

La presenza di un ponte termico non modifica soltanto la quantità di calore trasferita.

Come rappresentato in Figura 19. , modifica anche la distribuzione delle temperature all’interno dell’elemento e sulle sue superfici.

Consideriamo, per esempio, un ambiente caldo separato da un ambiente più freddo. Nella zona caratterizzata da maggiore dispersione termica, la temperatura della superficie sul lato caldo può risultare più bassa rispetto alle zone circostanti.

Si genera quindi una disomogeneità della temperatura superficiale.

Questo aspetto è particolarmente importante perché la temperatura superficiale influenza anche gli scambi per convezione e irraggiamento con l’ambiente circostante.

Il ponte termico deve quindi essere interpretato come un fenomeno che modifica localmente l’intero campo termico, non semplicemente come un punto attraverso il quale “passa più calore”.

Ponti termici e condensazione superficiale

Quando la temperatura superficiale di una zona diminuisce sufficientemente, può aumentare il rischio di condensazione superficiale.

L’aria contiene infatti una determinata quantità di vapore acqueo. Se entra in contatto con una superficie sufficientemente fredda, può raggiungere condizioni nelle quali il vapore condensa.

La formazione di condensa non dipende quindi dal ponte termico in sé, ma dall’interazione tra:

temperatura superficiale + temperatura dell’aria + umidità relativa.

Per questo motivo la valutazione dei ponti termici è importante non soltanto dal punto di vista delle dispersioni energetiche, ma anche per il controllo delle condizioni termoigrometriche delle superfici.

Il ponte termico come fenomeno multidimensionale

Dal punto di vista della fisica tecnica, uno degli aspetti più importanti dei ponti termici è il passaggio da un modello di trasmissione del calore prevalentemente monodimensionale a uno bidimensionale o tridimensionale.

In una parete omogenea lontana dalle discontinuità, le linee di flusso possono essere considerate approssimativamente parallele.

Vicino a un angolo, a un elemento strutturale o a una variazione dei materiali, invece, le linee di flusso cambiano direzione.

Per descrivere correttamente il fenomeno occorre quindi analizzare il campo di temperatura e la distribuzione del flusso termico nella zona interessata.

È proprio questa caratteristica a rendere il ponte termico un fenomeno locale che non può essere descritto completamente considerando soltanto la trasmittanza termica della parte corrente dell’elemento.

Ponti termici lineari e puntuali

A seconda della geometria della discontinuità, i ponti termici possono essere distinti in lineari e puntuali.

Un ponte termico lineare si sviluppa lungo una linea del sistema, come può avvenire in corrispondenza di una giunzione tra elementi.

Il suo effetto viene generalmente caratterizzato attraverso la trasmittanza termica lineica ψ, espressa in:

W/(m·K)

Un ponte termico puntuale è invece associato a una discontinuità localizzata nello spazio e può essere caratterizzato attraverso la trasmittanza termica puntuale χ, espressa in:

W/K

Queste grandezze permettono di quantificare il contributo aggiuntivo al trasferimento termico determinato dalle discontinuità rispetto al comportamento delle parti uniformi del sistema.

Continuità dell’isolamento e sistemi a basso spessore

Il controllo dei ponti termici richiede innanzitutto di limitare le discontinuità e creare, quando possibile, uno strato isolante continuo.

In questo contesto gli isolanti termici a basso spessore, compresi alcuni sistemi nanotecnologici, presentano una caratteristica progettuale interessante: possono essere applicati anche in zone nelle quali lo spazio disponibile è molto limitato o dove geometrie complesse rendono difficile mantenere la continuità con sistemi isolanti di maggiore spessore.

Uno strato continuo di pochi millimetri può, per esempio, consentire di seguire superfici, raccordi, spigoli o elementi geometricamente complessi senza introdurre ingombri rilevanti.

Ciò non significa che il basso spessore elimini automaticamente un ponte termico. La sua efficacia deve essere valutata considerando le proprietà termiche del materiale, lo spessore applicato, la geometria del nodo e il comportamento complessivo del sistema.

Il principio generale rimane quindi lo stesso:

per limitare un ponte termico non conta soltanto quanto isola un materiale, ma anche se l’isolamento riesce a mantenere la propria continuità nella zona critica.

Da ricordare

Un ponte termico è una discontinuità nel comportamento termico di un sistema che modifica localmente la distribuzione delle temperature e del flusso di calore.

Può essere determinato dalla geometria, dalla presenza di materiali differenti o dalla discontinuità dell’isolamento.

I suoi effetti possono comprendere aumento degli scambi termici, variazioni della temperatura superficiale e, in determinate condizioni, maggiore rischio di condensazione.

La corretta gestione dei ponti termici richiede quindi di considerare non soltanto le proprietà dei materiali, ma anche geometria, continuità dell’isolamento e comportamento termico dell’intero nodo.

1.8 Condensa superficiale e interstiziale

L’aria contiene sempre una certa quantità di vapore acqueo. La quantità effettivamente presente e la quantità massima che l’aria può contenere prima di raggiungere la saturazione dipendono, tra gli altri fattori, dalla temperatura.

Quando l’aria si raffredda, la quantità di vapore che può essere presente senza raggiungere la saturazione diminuisce. Se il raffreddamento prosegue fino a raggiungere una determinata temperatura, detta temperatura di rugiada, si raggiunge la condizione di saturazione.

Se la temperatura scende ulteriormente, una parte del vapore acqueo può passare allo stato liquido: avviene la condensazione.

È quindi importante comprendere che la condensa non è determinata semplicemente dalla presenza di umidità nell’aria, ma dall’interazione tra temperatura, contenuto di vapore e condizioni termiche delle superfici o degli strati attraversati dal vapore.

Umidità assoluta e umidità relativa

Per descrivere il contenuto di vapore acqueo dell’aria possono essere utilizzate diverse grandezze.

L’umidità assoluta esprime la quantità effettiva di vapore acqueo presente in un determinato volume d’aria.

Nello studio delle condizioni ambientali viene però utilizzata molto frequentemente l’umidità relativa, che esprime il rapporto tra la quantità di vapore presente nell’aria e quella corrispondente alla saturazione alla stessa temperatura.

In termini di pressione di vapore può essere espressa come:

UR = pᵥ / pₛₐₜ × 100

dove:

• UR = umidità relativa [%];
• pᵥ = pressione parziale del vapore acqueo;
• pₛₐₜ = pressione di saturazione del vapore alla stessa temperatura.

Un’umidità relativa del 60%, per esempio, indica che la pressione parziale del vapore è pari al 60% della pressione di saturazione alla temperatura considerata.

La pressione di saturazione dipende fortemente dalla temperatura. Per questo motivo l’umidità relativa può cambiare anche senza aggiungere o sottrarre vapore acqueo.

Se una massa d’aria viene raffreddata mantenendo invariato il proprio contenuto di vapore, la sua umidità relativa aumenta. Se viene riscaldata, l’umidità relativa diminuisce.

La temperatura di rugiada

La temperatura di rugiada è la temperatura alla quale, per una determinata quantità di vapore presente nell’aria, viene raggiunta la saturazione (ved. Figura 21.)

Consideriamo aria inizialmente non satura che venga progressivamente raffreddata senza modificarne il contenuto di vapore.

Al diminuire della temperatura aumenta l’umidità relativa fino a raggiungere:

UR = 100%

La temperatura corrispondente rappresenta il punto di rugiada.

Il concetto è fondamentale perché permette di comprendere la formazione della condensa sulle superfici.

Se una superficie presenta una temperatura inferiore o uguale alla temperatura di rugiada dell’aria che la lambisce, possono verificarsi le condizioni per la condensazione superficiale.

In forma semplificata:

Tₛ ≤ Tᵣ → possibile condensazione superficiale

dove:

• Tₛ = temperatura della superficie;
• Tᵣ = temperatura di rugiada.

La temperatura di rugiada non è quindi una proprietà della superficie, ma dipende dallo stato termoigrometrico dell’aria, in particolare dalla sua temperatura e dal contenuto di vapore.

Condensa superficiale

La condensa superficiale si verifica quando il vapore acqueo presente nell’aria entra in contatto con una superficie la cui temperatura è sufficientemente bassa da raggiungere le condizioni di saturazione dell’aria in prossimità della superficie.

Un esempio intuitivo è quello di una superficie fredda esposta ad aria calda e umida.

Lo strato d’aria immediatamente a contatto con la superficie si raffredda. Se la sua temperatura raggiunge il punto di rugiada, l’aria diventa localmente satura e una parte del vapore può condensare sulla superficie.

Il fenomeno dipende quindi principalmente dall’interazione tra tre grandezze:

temperatura dell’aria + umidità dell’aria + temperatura superficiale.

Una superficie più fredda non produce necessariamente condensa. Se l’aria contiene poco vapore, la sua temperatura di rugiada può essere sufficientemente bassa da non essere raggiunta.

Allo stesso modo, una superficie che non sarebbe critica in condizioni di bassa umidità può diventarlo quando il contenuto di vapore dell’ambiente aumenta.

Il ruolo dell’isolamento termico

L’isolamento termico modifica la distribuzione delle temperature all’interno di un sistema e, di conseguenza, anche le temperature delle sue superfici.

Consideriamo un ambiente riscaldato separato da un ambiente esterno più freddo.

Se la resistenza termica dell’elemento di separazione è insufficiente, la temperatura della superficie interna può risultare sensibilmente inferiore alla temperatura dell’aria interna.

Un isolamento adeguato può contribuire a mantenere più elevata la temperatura della superficie sul lato caldo, riducendo il rischio che essa raggiunga la temperatura di rugiada.

Questo principio aiuta anche a comprendere quanto visto nel paragrafo precedente sui ponti termici: una discontinuità termica può provocare una diminuzione locale della temperatura superficiale e rendere quella zona più critica rispetto alle superfici circostanti.

La formazione di condensa, tuttavia, non dipende esclusivamente dall’isolamento: devono essere considerate contemporaneamente anche le condizioni di temperatura e umidità dell’ambiente.

Condensa interstiziale

La condensazione può verificarsi non soltanto sulla superficie di un elemento, ma anche all’interno della sua stratigrafia.

In questo caso si parla di condensa interstiziale.

Per comprendere il fenomeno occorre considerare che il vapore acqueo può attraversare molti materiali per diffusione, muovendosi in presenza di differenze di pressione parziale del vapore.

Contemporaneamente, attraversando una parete o un altro elemento che separa ambienti a temperature differenti, cambia anche la temperatura all’interno dei vari strati.

Si sviluppano quindi due fenomeni contemporanei:

• una distribuzione della temperatura attraverso l’elemento;
• una distribuzione della pressione parziale del vapore.

Se, in una determinata posizione della stratigrafia, le condizioni termoigrometriche raggiungono la saturazione, può verificarsi condensazione all’interno dell’elemento.

La differenza fondamentale rispetto alla condensa superficiale è quindi il luogo nel quale avviene il fenomeno.

Condensa superficiale → sulla superficie dell’elemento

Condensa interstiziale → all’interno della stratigrafia

Diffusione del vapore

Il movimento del vapore attraverso un materiale non deve essere confuso con il trasferimento di calore.

Si tratta di fenomeni fisici differenti.

La capacità di un materiale di opporsi alla diffusione del vapore viene frequentemente descritta attraverso il fattore di resistenza alla diffusione del vapore μ.

Un valore di μ elevato indica una maggiore resistenza alla diffusione del vapore; un valore basso indica che il materiale permette al vapore di diffondere più facilmente.

Per uno strato di materiale è particolarmente utile la grandezza:

sᵈ = μ · s

dove:

• sᵈ = spessore equivalente d’aria [m];
• μ = fattore di resistenza alla diffusione del vapore;
• s = spessore dello strato [m].

Questa relazione evidenzia un concetto importante: il comportamento di uno strato nei confronti della diffusione del vapore dipende sia dalle proprietà del materiale sia dal suo spessore.

Due strati realizzati con lo stesso materiale ma con spessori differenti presentano quindi una diversa resistenza complessiva alla diffusione del vapore.

Temperatura e pressione di vapore all’interno di una stratigrafia

Per valutare il rischio di condensazione interstiziale non è sufficiente conoscere la temperatura dell’aria interna ed esterna.

Occorre comprendere ciò che avviene all’interno dell’elemento.

Procedendo dal lato caldo verso quello freddo, la temperatura varia in funzione delle resistenze termiche dei diversi strati.

Anche la pressione parziale del vapore varia attraversando materiali caratterizzati da differenti resistenze alla diffusione.

Il punto critico si verifica quando la pressione parziale del vapore raggiunge la pressione di saturazione corrispondente alla temperatura locale.

In termini concettuali:

pᵥ ≥ pₛₐₜ(T) → condizioni per la condensazione

Questo è il principio fisico alla base delle verifiche termoigrometriche delle stratigrafie.

Condensa superficiale e interstiziale non sono lo stesso fenomeno

Sebbene entrambe derivino dal raggiungimento delle condizioni di saturazione del vapore, condensa superficiale e interstiziale devono essere considerate separatamente.

La distinzione è importante perché un elemento può risultare adeguato rispetto al rischio di condensazione superficiale ma presentare condizioni critiche all’interno della stratigrafia, o viceversa.

Isolanti a basso spessore e comportamento termoigrometrico

Anche nel caso di isolanti termici a basso spessore, compresi i sistemi nanotecnologici, isolamento termico e comportamento nei confronti del vapore devono essere considerati come proprietà distinte.

Una bassa conducibilità termica riguarda la capacità del materiale di limitare il trasferimento di calore per conduzione; non determina automaticamente la sua permeabilità al vapore.

Un materiale può quindi possedere elevate prestazioni termiche e, contemporaneamente, presentare differenti livelli di resistenza alla diffusione del vapore in funzione della propria composizione e dello spessore applicato.

Nei sistemi a basso spessore questo aspetto è particolarmente interessante perché, come abbiamo visto, la resistenza alla diffusione del vapore di uno strato dipende anche dal suo spessore.

La valutazione termoigrometrica deve tuttavia essere effettuata considerando l’intera stratigrafia, non il solo materiale isolante.

Questo permette di mantenere distinti due concetti fondamentali:

La conducibilità termica descrive il trasferimento di calore. La permeabilità al vapore descrive il trasporto di vapore attraverso il materiale.

Un buon comportamento rispetto a uno dei due fenomeni non implica automaticamente un buon comportamento rispetto all’altro.

Da ricordare

La condensazione si verifica quando il vapore acqueo raggiunge condizioni di saturazione.

Nella condensa superficiale, il parametro determinante è la temperatura raggiunta dalla superficie in rapporto alle condizioni termoigrometriche dell’aria.

Nella condensa interstiziale, invece, occorre considerare contemporaneamente l’andamento della temperatura e della pressione di vapore all’interno dei diversi strati.

Isolamento termico, diffusione del vapore e controllo dell’umidità sono quindi fenomeni strettamente collegati, ma fisicamente distinti.

Comprenderne le differenze è essenziale per interpretare correttamente il comportamento termoigrometrico di qualsiasi sistema di separazione tra ambienti caratterizzati da condizioni differenti.

1.9 Comfort estivo e invernale

Quando si parla di isolamento termico, il comfort degli ambienti viene spesso associato esclusivamente alla temperatura dell’aria interna. In realtà, due stanze con la stessa temperatura dell’aria possono essere percepite in modo molto diverso.

Il benessere termico dipende infatti dall’equilibrio degli scambi di calore tra il corpo umano e l’ambiente circostante. In questo equilibrio intervengono non soltanto la temperatura dell’aria, ma anche la temperatura delle superfici che delimitano l’ambiente, il movimento dell’aria, l’umidità e le condizioni personali di chi occupa lo spazio.

Per questo motivo, valutare il comfort significa andare oltre il semplice valore indicato dal termostato.

La temperatura dell’aria non racconta tutto

Immaginiamo due ambienti nei quali l’aria interna sia mantenuta a 20 °C.

Nel primo, pareti, pavimento e superfici vetrate presentano temperature relativamente vicine a quella dell’aria. Nel secondo, una parete esterna è sensibilmente più fredda.

Anche se il termometro indica 20 °C in entrambi gli ambienti, la sensazione percepita può essere diversa.

Il motivo è che il corpo umano scambia continuamente energia anche per irraggiamento con le superfici circostanti. Una superficie molto fredda modifica questo equilibrio e può aumentare la sensazione di discomfort.

È quindi importante considerare anche la temperatura media radiante, che rappresenta in forma sintetica l’effetto termico delle superfici che circondano una persona.

Tutto ciò ci fa comprendere l’importanza dell’isolamento termico in edilizia (edifici a basso consumo o NZEB) e il motivo per cui l’efficienza energetica migliora la qualità dell’abitare oltre a ridurre i consumi.

Il ruolo della temperatura superficiale

L’isolamento termico modifica il flusso di calore attraverso l’involucro e, di conseguenza, può influenzare anche le temperature delle superfici interne.

Durante l’inverno, una parete esterna scarsamente isolata può presentare una temperatura superficiale interna sensibilmente inferiore a quella dell’aria della stanza.

Migliorando il comportamento termico dell’elemento, la temperatura della superficie interna può avvicinarsi maggiormente a quella dell’ambiente.

Questo produce due effetti distinti:

• riduce lo scambio termico attraverso l’involucro;
• può migliorare le condizioni radianti percepite dagli occupanti.

È un concetto importante perché risparmio energetico e comfort termico sono correlati, ma non sono la stessa cosa.

Un intervento può infatti essere valutato sia per la riduzione delle dispersioni sia per gli effetti che produce sulle condizioni termoigrometriche e sulle temperature superficiali degli ambienti.

DALLA TEORIA ALL’APPLICAZIONE

Non basta chiedersi quanto calore attraversa una parete. È utile chiedersi anche quale temperatura raggiungerà la superficie rivolta verso l’ambiente occupato.

Il comfort invernale

Durante la stagione fredda, il calore tende a fluire dagli ambienti riscaldati verso l’esterno.

Un involucro termicamente efficace limita questo trasferimento e contribuisce a mantenere condizioni interne più stabili.

Ma il comfort invernale non dipende soltanto dalla quantità di energia necessaria per mantenere l’aria a una determinata temperatura.

Sono importanti anche:

Temperature superficiali interne. Pareti molto fredde possono peggiorare le condizioni radianti e, come abbiamo visto nel paragrafo precedente, aumentare localmente anche il rischio di condensazione superficiale.

Uniformità delle temperature. Ponti termici e discontinuità dell’isolamento possono creare zone con temperature superficiali sensibilmente differenti.

Movimenti d’aria. Infiltrazioni e correnti possono aumentare la dispersione di calore dal corpo e peggiorare la sensazione di comfort.

Umidità relativa. Influenza la percezione dell’ambiente e deve essere considerata insieme alla temperatura e alla ventilazione.

L’obiettivo non è quindi semplicemente “avere aria calda”, ma ottenere un ambiente nel quale aria, superfici e condizioni termoigrometriche contribuiscano a un equilibrio confortevole.

Il comfort estivo

In estate il problema si inverte.

L’obiettivo diventa limitare l’ingresso del calore e contenere il surriscaldamento degli ambienti interni.

In questo caso entrano in gioco diversi fenomeni contemporaneamente:

• conduzione attraverso pareti e coperture;
• irraggiamento solare sulle superfici esterne;
• capacità delle strutture di accumulare calore;
• ventilazione;
• apporti termici interni;
• dimensione e orientamento delle superfici vetrate;
• sistemi di ombreggiamento.

Una superficie esterna esposta al sole può raggiungere temperature notevolmente superiori a quella dell’aria esterna. Una parte dell’energia assorbita viene successivamente trasferita verso gli strati interni dell’elemento edilizio.

Per questo motivo, il comportamento estivo dell’involucro non può essere descritto dal solo valore di conducibilità termica λ.

Devono essere considerati anche l’assorbimento della radiazione solare, le proprietà superficiali, la stratigrafia, la capacità termica e l’andamento delle condizioni climatiche nel tempo.

Isolamento e inerzia nel comportamento estivo

Come abbiamo visto nel § 1.6, isolamento termico e inerzia termica sono fenomeni differenti.

L’isolamento limita il trasferimento di calore.

L’inerzia descrive invece la capacità di un sistema di opporsi alle variazioni di temperatura attraverso l’accumulo e il rilascio di energia.

In estate questa distinzione assume particolare importanza.

Una struttura dotata di elevata capacità termica può assorbire una parte dell’energia e ritardarne gli effetti sulla temperatura interna. Un materiale isolante agisce invece principalmente limitando il flusso termico che attraversa l’elemento.

I due effetti possono quindi coesistere e contribuire in modo diverso al comportamento complessivo dell’edificio.

Il ruolo delle superfici esposte al sole

Nel comportamento estivo assume particolare importanza anche ciò che avviene prima che il calore attraversi la struttura.

Quando la radiazione solare raggiunge una superficie, una parte viene riflessa e una parte assorbita. L’energia assorbita contribuisce all’aumento della temperatura superficiale e può successivamente essere trasferita verso l’interno.

Per coperture e facciate fortemente esposte alla radiazione solare, le proprietà radiative della superficie esterna possono quindi contribuire in modo significativo al comportamento termico estivo.

Questo introduce concetti come riflettanza solare ed emissività termica, che verranno approfonditi nei capitoli successivi della Guida.

Questa frase è importante perché ci prepara perfettamente al successivo discorso sulle nanotecnologie senza anticiparlo in modo commerciale.

Tecnologie isolanti a basso spessore e comfort

Il comfort termico dipende dal comportamento complessivo dell’involucro e, in particolare, dagli scambi di calore e dalle temperature delle superfici che delimitano l’ambiente.

In questo contesto, i sistemi isolanti nanotecnologici a basso spessore rappresentano una specifica tecnologia per il controllo dello scambio termico, caratterizzata dalla possibilità di ottenere prestazioni isolanti attraverso strati di spessore molto contenuto.

La riduzione del flusso termico può contribuire a modificare le temperature superficiali e a rendere più uniformi le condizioni termiche dell’ambiente, con effetti che devono essere valutati in relazione alla specifica applicazione e alla stratigrafia dell’elemento edilizio.

Il basso spessore assume inoltre rilevanza progettuale perché consente di seguire con continuità geometrie, raccordi, spallette, elementi architettonici e superfici complesse, mantenendo limitato l’ingombro dell’intervento.

La valutazione della soluzione non deve tuttavia basarsi sul solo spessore: devono essere considerate le prestazioni termiche documentate, il comportamento termoigrometrico, le condizioni di applicazione e, quando rilevanti, le proprietà radiative del sistema.

DAL CAMPO

Quando il comfort migliora senza intervenire sulla facciata

In un’abitazione condominiale di Via Mauro Macchi, a Milano, la proprietaria desiderava migliorare il comfort termico dell’appartamento, ma non era possibile procedere con un intervento di isolamento della facciata perché gli altri condomini non intendevano effettuare i lavori.

La scelta è stata quindi quella di intervenire dall’interno dell’abitazione, applicando un sistema isolante a basso spessore sulle pareti disperdenti.

Prima dell’intervento erano inoltre presenti fenomeni di muffa, che sono stati trattati prima dell’applicazione del sistema isolante.

Il caso evidenzia un aspetto frequente negli interventi sull’esistente: la soluzione tecnicamente ideale deve confrontarsi anche con i vincoli reali dell’edificio e con la possibilità concreta di intervenire sulle diverse superfici.

In situazioni di questo tipo, poter modificare il comportamento termico delle pareti dall’interno, limitando la perdita di spazio utile, può rappresentare un criterio progettuale determinante.

Comfort ed efficienza energetica non sono sinonimi

È possibile migliorare il comfort percepito senza che questo possa essere descritto semplicemente attraverso un unico parametro energetico.

Allo stesso modo, il rispetto di un determinato valore di trasmittanza non descrive automaticamente tutte le condizioni di comfort di un ambiente.

Una valutazione completa deve mettere in relazione:

involucro + superfici + impianti + condizioni climatiche + modalità d’uso dell’edificio.

Il comfort termico è quindi il risultato dell’interazione tra edificio, ambiente e persone.

Da ricordare

• La temperatura dell’aria non è sufficiente, da sola, a descrivere il comfort termico.
• Le temperature delle superfici influenzano gli scambi radiativi con il corpo umano.
• In inverno l’isolamento contribuisce a limitare le dispersioni e a mantenere temperature superficiali interne più favorevoli.
• In estate devono essere considerati anche radiazione solare, proprietà superficiali, inerzia e ventilazione.
• Isolamento e inerzia termica sono fenomeni differenti, anche se entrambi influenzano il comportamento dell’edificio.
• Il comfort e l’efficienza energetica sono strettamente collegati, ma non sono sinonimi.
• Negli edifici esistenti, geometria, spazio disponibile e possibilità concreta di intervenire possono diventare parte integrante della scelta della soluzione isolante.