Architettura Tecnica 2008
… sistemi di involucro isolanti termicamente
prof. Enrico De Angelis
I materiali isolanti
2
L’isolante più utilizzato in edilizia è l’aria ferma: ! = 0.024 (W/mK)
Gran parte dei materiali che isolano bene lo fanno perché riescono ad
essere fatti principalmente d’aria che la restante parte o componenti
del materiale riescono a tenere “ferma”, quasi immobile.
ATTENZIONE: all’interno dei materiali composti di cavità più o meno
grandi, il flusso di calore avviene per conduzione attraverso le parti
solide opache, per convezione e per irraggiamento tra le superfici che
delimitano le cellule, e per irraggiamento, attraverso materiali non
opachi:
! Un polistirene a bassa densità isola meno perché è trasparente
! Una lana a bassa densità isola meno perché trasparente e
permeabile all’aria (moti convettivi interni)
! Il poliuretano può isolare di più di altri materiali perché viene
espanso usando gas a bassissima conduttività (Cl-F-C, ! = 0.008)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Isolanti convenzionali
3
Il meccanismo di
scambio termico
preponderante è
quello della
conduzione
attraverso l’aria
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
I materiali isolanti
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Tipologie di materiali isolanti convenzionali (tenere ferma l’aria):
! Materiali di origine minerale
•
•
•
•
Fibre minerali (vetro e roccia)
Rocce espanse
Argille cotte e laterizi
Materiali cementizia espansi (silico-calcici)
! Resine espanse (polistirene, poliuretano, urea-formaldeide …)
! Fibre naturali (lana, cotone, canapa, cellulosa, altri derivati del legno
variamente tenuti insieme)
! Materiali compositi: spesso isolanti termo-acustici, che devono
garantire determinate proprietà meccaniche, hanno dentro materiali
diversi, dalla cellulosa alla perlite, alle fibre per ottenere determinate
resistenze meccaniche (flessione pannello, punzonamento …) per
applicazioni particolari
Bibliografia
! A.Fassi, L.Maina, L’isolamento ecoefficiente guida all’usodei materiali
naturali, edizioni Ambiente, 2007
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Fibre di roccia o di vetro
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Quarzo, quartzite, dolomite, feldspato, calcari, eccetera, con soda e
borace (fondenti), fuse e ridotte in fibre sottili sotto pressione (fili)
oppure, per forza centrifuga (come lo zucchero filato!) in fibre più o
meno orientate casualmente:
! Isolamento termico resistente ad elevate temperature
! Incombustibile
Attenzione
! No VOC
al legante!
Proprietà significative
! Buon assorbimento acustico
! Basso assorbimento di umidità
! Durevole (prestazione di isolamento)
! Lavorabile (relativamente facilmente)
! Relativamente riciclabile
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Fibre di roccia o di vetro
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
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Fibre di roccia
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Cambia il prodotto di base ma non il risultato. Le rocce utilizzate sono
anche scarti, rifiuti: loppe, ceneri (fly ash) come per i cementi
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Tossicità delle fibre:
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Negli anni ottanta, IARC classifica le fibre sintetiche minerali come
potenzialmente cancerogene: non ci sono evidenze statistiche di
mesoteliomi (polmoni).
Non fa male come l’amianto e basta tenerlo confinato. Tuttavia …
Non si hanno evidenze tali da portare le fibre in classe di rischio
superiore ma la preoccupazione è evidente
L’industria cambia la formulazione – sulla base di diverse ricerche – e
produce fibre “bio-solubili”, la cui inalazione o ingestione non va oltre al
provocare irritazione (10 giorni contro i 20 della polvere comune).
Nel 2001 IARC rimuove la valutazione “potenzialmente cancerogeno”
delle fibre minerali, sulla base di ricerche (panel statistici) piuttosto
vasti.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Fibre minerali isolanti
Confezionati in
! Pannelli più o meno rigidi
! Stuoie in rotolo
! Fiocchi sfusi
Possono essere semplici o preaccoppiate ad altri strati di
protezione o finitura:
! barriera al vapore o di
capillarità
! Pannelli in carton gesso …
! Impermeabilizzazioni
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
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Conduttività lane minerali
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In una prima fase all’aumentare della massa volumica si ha una
diminuzione della conduttività in quanto aumenta l’opacità della lana di
vetro, annullandosi di conseguenza la trasmissione di calore che
avviene mediante il meccanismo radiativo. A masse volumiche
superiori la trasmissione di calore attraverso il pannello isolante
avviene esclusivamente per via conduttiva.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Argilla espansa
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Si cuoce l’argilla in forni a 1200 °C
rotativi, dove alcune sostanze
subiscono un processo di
trasformazione, vetrificazione e
generazione di gas.
La superficie delle sferette è
vetrificata (molto resistenti mecc.)
ma non liscia e l’interno ha una
struttura cellulare (leggerezza e
isolamento termico).
Assorbe bene anche le vibrazioni,
è assolutamente incombustibile.
La struttura porosa non la rende
impermeabile: capacità di
ritenzione idrica.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Densità: 300÷500 kg/mc
Conduttività: 0,11÷0,15 W/mK
Perlite espansa
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È bianca, relativamente impermeabile
termoisolante e fonoassorbente.
Si prende la perlite, una roccia vetrosa,
la si frantuma e la si lavora ad alte
temperature 800-1.000°C.
Si ottiene un materiale molto leggero
incombustibile e con una buona
resistenza meccanica.
Densità: 80÷120 kg/mc
Conduttività: 0,05÷0,06 W/mK
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Vermiculite espansa
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Minerale di origine micacea, che
contiene silicati e alluminati di
magnesio e ferro idratati
Densità: 80÷100 kg/mc
Conduttività: 0,06÷0,09 W/mK
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Vermiculite espansa
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Il minerale viene sottoposto ad un
processo di riscaldamento ad alta
temperatura (>1.000°C).
Le molecole d’acqua nella
struttura dei cristalli, quando il
materiale è scaldato ad alte
temperature, espandono e
modificano il volume
L’esfoliazione incrementa il
volume di 10-20 volte.
Come per tutti I materiali minerali
c’è il rischio di un po’ di radioattività naturale. Qui c’è anche il
rischio di qualche fibra di amianto.
Ma il problema è più
occupazionale che per l’utenza
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Densità: 80÷100 kg/mc
Conduttività: 0,06÷0,09 W/mK
Vermiculite espansa
Exfoliated Vermiculite is great for thermal
insulation and can withstand temperatures
over 1000 degrees Celsius.
Vermiculite is easy and clean to handle,
odorless, sound absorbent, non-abrasive,
and will not decay.
Vermiculite is used as a packing material
because it is lightweight , it can form
around objects, it takes shock well, it can
absorb leaks, and it is not a fire hazard.
Vermiculite is used as a packing material
because it is lightweight , it can form
around objects, it takes shock well, it can
absorb leaks, and it is not a fire hazard.
Vermiculite of medium grade will improve
drainage when added to heavy soils.
Fine grade mixed with peat is a great
compost for growing seeds.
Vermiculite also helps fertilizers release
more nutrients which is more economical
and efficient.
Used also in friction industry
http://www.dspinspections.com/vermiculite_insulation.htm
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
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http://www.hoben.com/vermiculite/index.htm
Pomice
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Lipari
Densità: 400÷900 kg/mc
Conduttività: 0,1÷0,2 W/mK
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Foam glass (vetro cellulare)
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Con la silice fusa (vetro)
si può fare anche una
schiuma!
I pori di questa schiuma sono
ben poco comunicanti tra
loro: si ottiene un materiale a
tenuta praticamente perfetta,
nei confronti della diffusione
dei gas. Può stare a contatto
col suolo senza problemi.
Densità: 100÷180 kg/mc
Conduttività: 0,04÷0,05 W/mK
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Il vetro cellulare sfuso
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Non solo blocchi e pannelli. Si può realizzare un materiale sfuso,
sferette (granulato), utilizzabile come riempitivo. È molto resistente
meccanicamente (rispetto ad altri isolanti, plastici, per esempio) pesa
tra 100 e 200 kg/mc, ha una conduttività inferiore a 0,1 W/mK
! Come inerte per i rilevati stradali e opere geotecniche:
è leggero e drenante
! Come materiale isolante sfuso in cavità
! Come inerte per conglomerati cementizi alleggeriti (attenzione che
gli inerti leggeri si rompono nell’impastatrice)
! Come isolante termico per campi sportivi
! Riempimento terreno intorno e sotto ad una piscina
! Stadio del ghiaccio, altri impianti sportivi
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Silicati di calcio
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Il nome inglese è particolarmente esplicativo: sand-lime Brick:
! Si prende della sabbia di silice relativamente fina e del calcare, si
mescolano con acqua e si stagionano in vapore ad alta pressione.
! Si innesca una reazione di idratazione del carbonato di calcio e
della silice che genera dei silicati calcici idrati (S-C-H)
particolarmente stabili termicamente, ragionevolmente stabili
chimicamente e che offrono una buona resistenza meccanica,
nonché al gelo ed alle efflorescenze,
È un prodotto tedesco della fine dell’ ‘800.
Ci sono molti tipi di elementi SC in commercio, con densità e
conduttività del tutto simili a quelle dei mattoni.
Da non confondere – come spesso avviene – con il calcestruzzo
alveolare autoclavato (AAC)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Silicati di calcio e AAC
20
I blocchi in AAC non hanno delle
classi di densità caratteristiche definite
in sede europea come il silicato di
calcio.
Alcuni prodotti raggiungono
conduttività (dichiarate) inferiori a 0,06
W/mqK e vengono venduti in pannelli
sottili come un qualsiasi altro isolante.
Si tratta di prodotti estremamente
fragili e poco resistenti ma inclusi in
due fogli di acciaio possono garantire
REI elevatissime.
Come isolanti termici, si ricordi che la
loro conduttività è fortemente
influenzata dall’umidità
EN 771-2, Specifica per elementi di muratura (mattoni) di silicato di calcio
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerated Autoclaved Concrete - AAC
21
Nel 1914, gli svedesi si accorsero che se si mescolava polvere di
alluminio a silice e calce, i materiali producevano una reazione che
generava idrogeno. All’interno del materiale, che lievitava come una
torta, si generavano microbolle che lo facevano espandere oltre 5 vv e
lo rendevano leggero come il legno (e anche di più), ma privo dei tanti
problemi del legno:
! Incombustibilità
! Resistenza all’attacco biologico (insetti, funghi).
Il prodotto veniva stagionato in autoclave, come il materiale non
espanso e si otteneva un materiale con ottima resistenza anche a
basse densità.
Soprattutto un materiale eccezionale nei confronti delle azioni
termomeccaniche e chimiche di un incendio: stabile per temperature
dell’ordine dei 1000°C
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerated Autoclaved Concrete - AAC
Fonte: Ytong – Xella international
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
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Silicati di calcio e AAC
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I blocchi in AAC non hanno delle
classi di densità caratteristiche definite
in sede europea come il silicato di
calcio.
Alcuni prodotti raggiungono
conduttività (dichiarate) inferiori a 0,06
W/mqK e vengono venduti in pannelli
sottili come un qualsiasi altro isolante.
Si tratta di prodotti estremamente
fragili e poco resistenti ma inclusi in
due fogli di acciaio possono garantire
REI elevatissime.
Come isolanti termici, si ricordi che la
loro conduttività è fortemente
influenzata dall’umidità
EN 771-2, Specifica per elementi di muratura (mattoni) di silicato di calcio
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerated Autoclaved Concrete – AAC
24
Proprietà
! Non è permeabile all’aria (lo è ai gas)
! Ha una buona capacità portante (ma dipende dalla densità!)
! Le caratteristiche termiche sono ottime (accoppia massa e
isolamento), ma anche quelle acustiche e soprattutto la sua
resistenza al fuoco
! È straordinariamente facile da lavorare
! Purtroppo è fortemente igroscopico e al variare del suo contenuto
di umidità cambia le sue dimensioni in maniera sensibile
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerated Autoclaved Concrete - AAC
http://www.ecspa.org/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
25
Aerated Autoclaved Concrete - AAC
26
Pannelli, mattoni coppelle per tubazioni
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerated Autoclaved Concrete – AAC
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
27
Schiume sintetiche
28
Qualsiasi polimero può essere prodotto in forma di schiuma, con
proprietà isolanti e altre caratteristiche variabili, grazie ad un agente
espandente generato o inserito durante la sua polimerizzazione.
! Polistirene
! Poliuretano (poliisocianurato)
! Polietilene
! PVC
! Resine fenoliche
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Polystyrene EPS-XPS
29
Le sfere sono usate come aggregato nella realizzazione di intonaci
isolanti, alternativamente ad altri materiali sfusi a bassa conducibilità
(vetro cellulare, perlite …)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Conduttività polistirene/olo
30
Il polistirolo ha un comportamento analogo alle lane di vetro e minerali.
Gli estrusi hanno un basso assorbimento idrico, pertanto vengono
utilizzati dove l’isolante si presenta al di sopra della membrana
impermeabilizzante (es. tetto rovescio).
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Riciclabilità del PSE
31
http://www.styromelt.com/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Poliuretano
32
Le resine poliuretaniche sono molto varie. Sono tutte caratterizzate
da un particolare legame chimico ma ce ne sono tantissimi tipi.
Sono composti eccezionali, utilizzati per produrre colle, pitture,
lastre e oggetti in materiale più o meno pesante e rigido. Il processo
di espansione e polimerizzazione può essere riprodotto in cantiere,
su un tetto o contro una parete. In funzione dell’agente espandente,
il materiale raggiunge conduttività anche molto basse. In funzione
degli additivi e del processo di catalizzazione della reazione, il
materiale diventa molto resistente, autoestinguente, impermeabile
…
Oggi si producono poliuretani e poliisocianurati anche a partire da
prodotti naturali (olio di soia) e per questo il PU viene “venduto”
come prodotto naturale.
È meno riciclabile del PSE (non come isolante, almeno) e si è
prodotto con agenti espandenti molto “ozone-depleting” (che
fornivano ! molto basse)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Poliuretano
AT-08
33
Lezione di: Enrico De Angelis
Poliuretani espansi – in situ
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
34
Poliuretani espansi – in situ
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
35
Poliuretani espansi – in situ
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
36
Conduttività poliuretani
37
Nelle cellette del poliuretano ci sono di gas leggeri, che abbassano la
trasmittanza termica del fluido contenuto. La prestazione iniziale
decade nel tempo, sino a tornare lineare quando tutto il gas è
transitato all’esterno. La variazione di pendenza avviene in
corrispondenza del cambiamento di stato del gas (assorbimento o
cessione di energia)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Invecchiamento del PU
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0,042
Thermal conductivity PUR [W/(m*K)]
0,040
0,038
0,036
0,034
0,032
0,030
CO2 - DN 150/250
CP - DN 150/250
0,028
CFC-11 - DN 150/250
CO2 - DN 25/90
0,026
CP - DN 25/90
CFC-11 - DN 25/90
0,024
0
5
10
15
20
25
30
Year of lifetime
Thermal resistivity versus aging time for a 25mm-thick, typical polyurethane-foam
specimen. 1) Encapsulated. 2) Air is allowed
to enter. 3) Previous case plus the effect of
the absorption of the blowing agent by the
polymeric matrix. 4) Previous case plus the
effect of the outward diffusion
In reality, if urethane insulation is a little less than what the book says it is, what does it
matter? It is still so much better than the next best insulation that there is no comparison.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Poliisocianurato
È simile al PU, con
migliore resistenza
meccanica chimica e
termica.
Usato soprattutto per
pannelli e container
frigoriferi, piping
insulation.
Oppure per realizzare
pannelli prefabbricati.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
39
Resine fenoliche
40
The exceptionally high level of closed cells and the fine cell structure
gives phenolic foam excellent thermal properties. Closed cell phenolic
foams are the most thermally efficient insulation materials commonly
available. The product is manufactured in a number of forms including
blocks, continuously produced flexible faced laminate, rigid faced
laminates and composite panels in addition to highly specialised
applications such as fire doors and moulded products. Being based on
a phenolic resin it has outstanding fire characteristics and extremely
low smoke emission when exposed to a flame source.
Phenolic foam is used extensively in industrial heating and ventilation
applications such as pipe and duct insulation. It is also used in building
applications such as roofing, flooring, cavity walls, sarking and in the
food processing industry for steel faced panels.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Pannelli in resine fenoliche
Eccezionale:
! conduttività 0,018-0,022 W/mK
! Resistenza alle alte temperature e alle fiamme
! Resistenza meccanica
Corrosione?
sicura per tubazioni in rame isolate
con tale materiale ma comunque
attenzione alla condensa!
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
41
Urea-formaldeide (UFFI)
42
Presentano:
! Bassa conduttività
! Autoestinguenti (elevata temperatura di ignizione)
! Durevoli (trattati con minerali ossidi di ferro, argilla e sali di boro)
resistono alle muffe e alle tarme senza pesticidi
! Costi confrontabili con i materiali tradizionali.
Erano utilizzate nel recupero-riqualificazione energetica
In pratica non sono più utilizzate
Ora sui materiali da costruzione (e sugli isolanti) si scrive:
Contains NO Urea Formaldehyde
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Formaldeide
43
In base a nuovi studi epidemiologici condotti su lavoratori addetti alla
sintesi di formaldeide, lo IARC, l’Agenzia internazionale per la ricerca
sul cancro, nel 2004 ha classificato la formaldeide nel gruppo 1 dei
cancerogeni, cioè cancerogeni certi per l’uomo.
La formaldeide è irritante (tipico bruciore agli occhi).
L’effetto più preoccupante non è per piccole esposizioni ma la
correlazione con tumori nasofaringei per via inalatoria è certa.
Dubbi sulle leucemie anche per l’ingestione. Ma si tratta sempre di
esposizioni “occupazionali”
L’Unione europea non la riconosce ancora come sicuro cancerogeno.
Ma il prodotto formaldeide è molto usato:
! Industria dei mobili -> colle
! Carta -> colle
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Sughero
44
Grande rigidità statica e
dinamica (acustica), per
conduttività bassa
(0,045-0,06 W/mK).
Ottimo per ridurre la
trasmissione di
vibrazioni.
Molto costoso, spesso
sostituito da prodotti di
riciclo vari materiali (per
es. copertoni)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Fibre di legno mineralizzate
Trucioli e fibre impregnate con cemento o
magnesite (MgO2):
! Condutt. 0,09-0,15 W/mK
! Densità 300-600 kg/m3
! Buona resistenza meccanica
! Ottima reazione al fuoco e resistenza al
degrado per umidità (funghi)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
45
Pannelli in fibra di legno
Per una buona
resistenza meccanica …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
46
Per una buona
resistenza termica …
Pannelli in fibra di legno
Pannelli prefiniti
gesso/fibra di legno:
massa e prestazioni
acustiche …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
47
Ottima compatibilità con varie finiture
“tradizionali” ma utilizzabile anche
così com’è per fonoassorbimento e
isolamento acustico
Fibre di legno “naturali”
48
Si possono realizzare dei pannelli in fibre di
legno relativamente leggeri, resistenti
meccanicamente e a bassa conduttività.
Se i giunti sono adeguatamente disegnati
garantiscono una buona tenuta all’aria e
anche all’acqua (quelli trattati e per pochi
giorni ovviamente):
! Condutt. 0,05-0,06 W/mK
! Densità 200-250 kg/m3
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Fibre di legno “naturali”
Oppure si possono
realizzare materassini
“leggeri” sempre a partire da
fibre di legno, con
conduttività termica ancora
più bassa. Si producono con
spessori fino a oltre 10 cm, i
facilmente regolabili nelle
loro dimensioni e inseribili
tra travetto e travetto:
! Condutt. 0,04 W/mK
! Densità 60-100 kg/m3
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
49
Fibre di legno “naturali”
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
50
51
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
52
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
53
Cappotti con isolanti
in cellulosa/legno
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
54
Pannelli isolanti e finiture interne
con integrazione di tubi capillari
per climatizzazione radiante
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
cellulosa
55
Polpa di legno sbiancata (ossigenazione)
con fibre sintetiche (5-10% viscosa)
oppure
Fibre provenienti dal riciclo della carta di
giornale o simili
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
! Condutt. 0,04-0,07 W/mK
! No res. meccanica, fuoco
! Degrado per umidità
(oppure pesticidi …)
! Aumenta la tenuta all’aria degli
elementi che va a riempireisolare: un problema nei telai
in legno …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
56
Cellulosa
57
Fibers attach to the sheathing and studs,
forming a seamless bond inside the wall
cavity.
Cellulose Insulation Fills Wall Cavities and Removing Excess Insulation
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
! Condutt. 0,04-0,07 W/mK
! No res. meccanica, fuoco
! Degrado per umidità
(oppure pesticidi …)
! Aumenta la tenuta all’aria degli
elementi che va a riempireisolare: un problema nei telai
in legno …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
58
Cellulosa
Lana di pecora
59
Conduttività termica:
0,04-0,06 W/mK
Elevatissima
permeabilità al vapore,
al contempo elevata
capacità di
assorbimento (in
massa).
Buona reazione al
fuoco e buona
resistenza al degrado
per umidità (se trattata
con pesticidi naturali…)
www.secondnatureuk.com
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Lana di pecora
Viene prodotta in
fiocchi, per riempire
“a mano” le cavità …
http://www.greendragonbarn.co.uk/
Lezione di: Enrico De Angelis
AT-08
60
Pannelli isolanti in lana
AT-08
www.secondnatureuk.com
Lezione di: Enrico De Angelis
61
… oppure in pannelli
morbidi e facilmente
lavorabili
Isolanti in “cotone”
62
Da riciclo indumenti, da
fiocco e con trattamento
termico-chimico di
formazione pannelli
http://www.energy-innovation.com/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
63
Paglia
La paglia la abbiamo tutti “sottocasa”.
Si può usare come vero e proprio materiale da costruzione, senza
bisogno di processi industriali o artigianali particolarmente
complessi.
! Scarsa resistenza meccanica
e al fuoco (oltre che ai lupi)
! Conduttività 0,045-0,06 W/mK
Può essere usata sfusa, come riempimento
Mescolata con l’argilla è quasi
incombustibile.
Oppure preparata in balle
opportunamente compattate
utilizzabili come “mattoni”
Oppure ancora legata in stuoie
e pannelli di un certo spessore …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Una costruzione in balle …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
64
Balle intonacate
65
Intonacatura in argilla – con e senza rete – per una casa “naturale”
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
La prima casa italiana in paglia
66
la prima casa di
paglia in Italia fatta
in autocostruzione
sotto la guida di
Barbara Jones e
Bee Rowan.
Il gruppo Strawbale Building Training nasce dall'incontro europeo ESBG
(European Strawbale Building Gathering) a SiebenLinden in Germania
nell'Agosto 2007. Si veda anche il sito del Centro di Permacultura LA BOA,
un centri per la formazione all’uso di questo materiale, sito a Belfiore di
Pramaggiore (VE) in Italia nel Dicembre 2007: http://www.laboa.org/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Un altro edificio in paglia … solare
LANA (BZ) Esserhof (Margareta Schwartz et al.)
http://www.esserhof.com/it/strohballenhaus.html
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
67
Harrison Residence
68
Excellence in Structural Engineering Award, 2002
Structural Engineers Association of Northern
California
Load bearing wall construction,
Straw-bale shearwalls in EQ country
Vaulted
Lezione di: Enrico De Angelis
AT-08straw-bale roof structure
straw-bale walls
carry vertical and
lateral loads
external mesh
encapsulates
bales, providing
vertical and
horizontal
reinforcement
Structural
Mechanisms
69
stucco shell and/or straw
carries compression,
creates couple with tension
mesh
tension mesh
coupled with
stucco shell
and/or straw
Flexure
Engineering innovation and
destructive testing allowed
unique vaulted straw-bale
roof structure
wire cross-ties link
straw struts
(function like
stirrups)
wire cross-ties
prevent
delamination
stucco shell
and/or straw
compression
struts
internal straw
compression
struts
Shear
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
70
Seismic Wall Testing
Concept
Specimen
Wall E - Stucco/Mid
20
15
10
Load, k
5
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
-5
-10
TMA led research effort
funded by the California
Department
Design Data
ofAT-08
Agriculture
Lezione di: Enrico De Angelis
-15
-20
Disp, in
1
2
3
4
5
Housing in Rural China 71
Over 600 units of safe, super insulated
housing built to date,
Construction cost $4.00/sf
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Structural Decisions in a
Sustainability Context
72
seismic system
floor
system
excavation
foundation
system
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Pannelli prefabbricati in paglia
73
Le caratteristiche ecologiche
del pannello sono ovvie. Le
prestazioni meno (purtroppo
pesa):
! High mechanical res.
! Impact resistance
(blasting, wind debris)
! Higher airtightness
! High fire resistance
! Quick mounting
! Regionally produced
and low energy need
! Fungi resistent
http://www.agriboard.com/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Attenzione alle alluvioni …
74
Dal sito: http://www.laboa.org/
! Ore 13.00: l’acqua è uscita dal salotto, ma non ancora dalla
cucina.
Il pavimento in costruzione (avevamo appena finito di asciugarlo!)
è diventato una sabbia mobile, impraticabile.
In salotto il pavimento in terra cruda già finito ha tenuto bene
(almeno per ora non dà segni di cedimento). Gli intonaci non erano
fatti per andare sotto acqua…
! Ore 16.00 l’acqua ha lasciato la casa. …Tutto il pomeriggio
abbiamo spazzato fuori fango e acqua dal pavimento.…
Ora stiamo asciugando i muri con un soffiatore (gentilmente
prestato da Franco) e deumidificatori; la balla di paglia di base è
completamente inzuppata, speriamo in bene; dovremo rifare molti
lavori per la seconda volta: gli intonaci, parte dei pavimenti;
dovremo riparare e/o sostituire alcuni elettrodomestici, le librerie e i
mobili … Dovremo poi pensare a come evitare che tutto questo
accada una seconda volta.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Canapa non indiana (cannabis sativa)
75
La canapa è una materia prima rinnovabile e la sua coltivazione è
molto interessante dal punto di vista ambientale (ricostituzione zone
umide, fitodepurazione, arricchimento terreni …).
Oltre a ciò
! la sua crescita è rapida e abbondante (cresce di 4 metri in 120
giorni) ed è facile produrre fibre con ottime proprietà di isolamento
termo-acustico, diffusione del vapore e adsorbimento.
! Le fibre sono molto resistenti al degrado (no parassiti: solo fibre,
quindi solo attaccate dai funghi).
! Un grande vantaggio è la compostabilità
! Brucia abbastanza bene (ma può essere ignifugata)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Canapa e altre fibre (juta, cocco …)
76
Resistenza al degrado anche alta (cocco) Materiali combustibili
! Condutt. 0,04-0,06 W/mK Densità 20-80 (cocco fino a 160) kg/m3
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Fibre di lino
77
Le fibre sono tenute insieme da collanti
naturali non putrescibili
Altre volte le fibre naturali sono
mescolate con una minima percentuale
di fibre in resine termoplastiche
! Densità: 150-200 kg/m3
! Conduttività: 0,04 W/mK
! Fortemente permeabile al vapore,
assorbe buone quantità di umidità
senza problemi
“Asciuga il legno” dicono i venditori” e
non lo fa marcire), come la lana, il
cotone, … altri materiali naturali.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Le norme di qualificazione dei prodotti
78
Norme europee di qualificazione dei prodotti per l’isolamento termico
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
EN 13162
EN 13163
EN 13164
EN 13165
EN 13166
EN 13167
EN 13168
EN 13169
EN 13170
EN 13171
mineral wool (MW)
expanded polystyrene (EPS)
extruded polystyrene foam (XPS)
rigid polyurethane foam (PUR)
phenolic foam (PF)
cellular glass (CG)
wood wool (WW)
expanded perlite (EPB)
expanded cork (ICB)
wood fibre (WF)
! ISO 9774:2004 Thermal insulation for building applications -Guidelines for selecting properties.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Scelta di un isolante?
Conduttività termica ! (W/m.K)
Capacità termica
Reazione al fuoco
Permeabilità al vapore
Comportamento/resistenza umidità
Ambiente ...
Resistenza meccanica (per certe applicazioni)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
79
Comparaison n’est pas raison !
Isolants
AT-08
!
80
Inertie
Verre cellulaire
.035
?
Vermiculite
.060
++++
Laine de cellulose
.040
Laine de bois
+
-
Résistance
Envir.,"
Feu
H2O
16
H2O, Feu
Poussière
.040
10
H2O, Feu
?
Liège
.040
9
Envir.
Feu
P.U.
.025
4
H2O, !
Envir., Feu
Polystyrène
.028
2
!
Thermos
Laine de chanvre
.040
1?
Envir.
Densité
Laine minérale
.035
1
Prix
H2O, Feu
Lezione di: Enrico De Angelis
Isolanti convenzionali
81
Abbiamo visto che il
principale meccanismo
di scambio termico
all’interno di un buon
materiale isolante è
quello della conduzione
attraverso l’aria e che,
al ridursi della massa
volumica, per trasparenza, prende piede
anche la trasmissione
per irraggiamento.
NB qui non compare la
convezione, che si
suppone non influente
per strutture cellulari
molto piccole.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Isolanti non convenzionali
82
Gli isolanti convenzionali riducono ulteriormente il trasporto di calore:
! Utilizzando gas espandenti (che rimangono nelle porosità del
materiale) a bassa conduttività (tipicamente CFC o HCFC): PU
! Rendendo il più possibile opachi i materiali: PSE+Black Carbon
Gli isolanti non convenzionali, oltre al limitato trasporto di calore per
convezione al loro interno, lavorano sugli altri due meccanismi di
trasporto:
! Selettività e caratteristiche di emissività dei materiali variabili al
variare della lunghezza d’onda (come per i vetricamera
bassoemissivi, isolanti riflettenti etc)
! Conduzione all’interno del gas: oltre alla rarefazione del gas
contenuto nelle celle, quando queste hanno dimensioni
nanometriche, la conduttività scende ancora.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
PSE “nero”
83
Mescolando grafite alla resina in fase di espansione si ottiene un PSE
scuro, nero-argento, contrariamente alla colorazione bianca tipica.
Le particelle di grafite sono riflettenti e, per la loro caratteristica
emissività riducono i flussi termici per irraggiamento tra cella e cella.
Ovviamente aumenta la massa volumica e il costo.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Isolanti non convenzionali
84
ISOLANTI TRADIZIONALI:
la conduttività minima è sempre, da decenni (salvo alcune speciali
resine espanse), intorno ai 0,04 W/mK; L’innovazione di prodotto va
verso altre prestazioni (xes fuoco), più che per l’isolamento termico.
VETRAZIONI INNOVATIVE:
le parti trasparenti, tradizionalmente punto critico del sistema,
hanno migliorato molto di più le proprie prestazioni. Si è partiti da U
# 3,0 negli anni ’60 per arrivare a U # 1,0 per un vetrocamera ad
altissime prestazioni (0,5 W/m2K per un vetro triplo – doppia
vetrocamera).
Come conseguenza di ciò e della sistematica crescita delle
esigenze di contenimento dei disperdimenti energetici, lo spessore
dell’isolante è passato dai due centimetri degli anni sessanta, ai
quindici del prossimo decennio (35 cm per le case VeLE: Very Low
Energy).
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Vetrazioni (UNI EN ISO 10077-1)
85
Valori della trasmittanza termica Ug di doppie vetrate riempite con
differenti gas calcolati in conformità alla EN 673.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Vetrazioni (UNI EN ISO 10077-1)
86
Valori della trasmittanza termica Ug di doppie vetrate riempite con
differenti gas calcolati in conformità alla EN 673.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Vetrazioni (UNI EN ISO 10077-1)
87
Valori della trasmittanza termica Ug di triple vetrate riempite con
differenti gas calcolati in conformità alla EN 673.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Isolanti riflettenti
Vetrocamera:
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
88
Isolanti riflettenti
89
La resistenza termica di un intercapedine dipende dagli scambi
radiativi e convettivi che si instaurano tra le pareti della stessa.
Quando gli scambi radiativi sono molto più importanti degli scambi
convettivi (quando la differenza di temperatura in gioco è molto alta) è
fondamentale tagliare questi. Ma rimane sempre la trasmissione per
convezione (a meno che non tolga anche l’aria o la si sostituisca con
gas a bassa conducibilità)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Anche in facciata
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
90
91
È OK quando già devo realizzare strati di tenuta all’aria o schermi al
vapore…
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Varie forme
92
Ma rimane sempre il modo di scambio per convezione!
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
High performance insulation
93
IL VUOTO: con gli isolanti sottovuoto, si passa a conduttività
potenzial-mente nulle, praticamente un decimo: 4 mW/m K (nei
punti migliori).
È abbastanza facile crearlo all’interno di un materiale poroso:
DURABILITA’?
Uno studio su
pannelli attuali
ritiene stimabile un
aumento di 0,0025
W/mK in 25 anni
(ma ci sono dati
reali solo su
invecchiamenti
naturali di un anno)
IN PRATICA:
Usare !#6-8
mW/m K
Simmler, Brenner, EMPA-CH
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Pannelli evacuati (ieri)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
94
Pannelli sotto vuoto
95
VACUUM INSULATING PANELS (VIPs)
Si prende un materiale isolante
sufficientemente rigido.
Lo si riveste con un foglio di alluminio
adeguatamente risvoltato e sigillato
Si tira fuori tutta l’aria che c’è dentro. Si
ottengono pannelli con una conduttanza
equivalente dell’ordine di 0,004 W/mK:
dieci volte minore del buon isolante
termico commerciale.
All’interno del pannello lo scambio termico
è solo per irraggiamento e conduzione
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Pannelli evacuati (oggi)
Load bearing
core material
Simmler, Brenner, EMPA-CH
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
96
97
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Dimensione dei pori e conduttività
98
Un pannello
evacuato ha una
conduttività molto
bassa già a
pressioni inferiori
alla atmosferiche;
fino a 50 mBar
1 atm # 0,1 MPa
1 bar # 0,1 MPa
1 bar # 10 ton/m2
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerogel
99
Aerogel is the lightest and lowest-density solid that has ever been
produced. It is a superstrong nanoporous material made from the same
material as glass and is 50-99% air.
It can be made to be so low in density that it can actually floa in air!.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerogel
AT-08
100
Lezione di: Enrico De Angelis
Aerogel
101
Center for Space, Titusville, FL
HOK Architects Panel-Unit Wall System
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
TIM: Transparent Insulating Materials
102
Transparent materials comes in many
forms, but it ought to:
! allow sunlight/daylight/solarenergy
passthrough
! prevent heat from doing the same
! (Leave you to see through it).
Transparent insulation materials are
made of plastic or glass and have the
following structure:
! honeycombs
! capillaries
! small bubbles
! beads
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Evacuated glass
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
103
Materiali a transizione di fase
104
Molte paraffine ed alcuni sali, passano da liquido a solido tra i
10-50°C, garantendo un notevole accumulo termico in
corrispondenza di questa variazione di temperatura: esistono
molte applicazioni di questi prodotti “ad alta tecnologia” anche
nei tessuti …
http://www.rubitherm.com/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Costi dell’isolamento
G.Steinke 2006
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
105
Materiali a transizione di fase
106
Molte paraffine ed alcuni sali, passano da liquido a
solido tra i 10-50°C, garantendo un notevole accumulo
termico in corrispondenza di questa variazione di
temperatura: esistono molte applicazioni di questi
prodotti “ad alta tecnologia” anche nei tessuti …
http://www.rubitherm.com/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
SECONDA PARTE: Le pareti
Sistemi monostrato e cappotti
prof. Enrico De Angelis
Murature monostrato
108
Si chiama monostrato perché è uno solo lo strato a cui vengono
affidate le principali “funzioni” tecniche e questo è, di solito, di spessore
notevole. Si realizza con blocchi semlici, a bassa conduttanza (nelle
murature corrisponde a bassa densità, Low Density:= LD):
! Blocchi in laterizio
! Blocchi in calcestruzzo a bassa conduttanza
! Blocchi in calcestruzzo cellulare autoclavato
Oppure con elementi composti da più materiali (attenzione alla
capacità portante!), anche di grandi dimensione:
! Per es. integranti strati in PSE/PU o in fibra di legno
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Elemento a fori verticali
109
con giunzione a linguetta e scanalatura
con fori di presa
con sacca di malta
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Murature: resistenze termiche
110
Pareti da 12, 25 e 37,5 cm in mattoni pieni da 1800 kg/m3, con giunti di
malta da circa un centimetro:
! R = 0,15; 0,32; 0,47 (m2K/W)
La conduttività equivalente è circa 0,8 W/mK. La conduttività dei
materiali costituenti (mattone e malta dei giunti) è simile.
UNI 10351:2005
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Murature piene e semipiene
Pareti da 12 e 25 cm in mattoni semipieni da
1050 kg/m3 (lorde), con giunti di malta da
circa un centimetro:
! R = 0,24; 0,47 (m2K/W)
La conduttività equiv. è circa 0,50 W/mK, la
massa superficiale di 140-300 kg/m2
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
111
Murature in blocchi alveolari
112
Parete da 20 cm in blocchi forati in argilla da 800 kg/m3 (lorde):
! R = 0,47 (m2K/W)
La conduttività equiv. è circa 0,43 W/mK,
la massa superficiale oltre 160 kg/m2
Parete da 35 cm in blocchi semipieni in argilla alleggerita da 800
kg/m3 (lorde), a fori verticali:
! R = 1,05 (m2K/W)
Stessa conduttività equiv.
massa superficiale oltre 300 kg/m2
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Resistenze di solai e coperture
Solaio da 18 o 22 cm in forati in argilla:
! R = 0,30 – 0,33 (m2K/W)
La conduttività equivalente è circa 0,60
W/mK, la massa oltre 110 kg/m2.
Solaio in predalles in PSE da 24 cm e
getto di completamento in calcestruzzo:
! R = 0,52 (m2K/W)
La conduttività equivalente è circa 0,46
W/mK, la massa quasi 300 kg/m2
UNI 10351:2005
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
113
Resistenze di solai e coperture
Solaio in blocchi in PSE con fondo
nervato in calcestruzzo, da 23 cm
e getto di completamento
all’estradosso (calcestruzzo):
! R = 0,84 (m2K/W)
La conduttività equivalente è circa
0,23 W/mK, la massa superficiale
di 220 kg/m2
UNI 10351:2005
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
114
Resistenze termiche dei mattoni
Mattoni e blocchi in
argilla di densità
variabile: la norma
offre dati sulla diffusione del vapore e
sulla capacità termica
per unità di massa.
I valori di conduttività
sono relativi al frattile
50 e 90% ma vanno
peggiorati per tenere
in conto l’influenza
dell’umidità
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
115
Resistenze termiche dei mattoni
Mattoni e blocchi in
silicati di calcio
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
116
Resistenze termiche dei mattoni
Mattoni e blocchi in
calcestruzzo
e in calcestruzzo
con perle in PSE
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
117
Resistenze termiche dei mattoni
Mattoni e blocchi in calcestruzzo di argilla espansa
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
118
Resistenze termiche dei mattoni
119
Mattoni e blocchi in calcestruzzo aerato e autoclavato AAC
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Resistenze termiche dei mattoni
120
Mattoni e blocchi in calcestruzzo aerato e autoclavato AAC
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Blocchi alveolari PORIZZATI
121
Hollow clay blocks
Migliorare argille e il disegno degli alveoli permette di avere resistenze
meccaniche sempre più elevate e conduttanze sempre più basse ma
con un limite. Allora si “porizza”: segatura, PSE, perlite …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Il giunto di malta
122
Il punto critico della muratura di blocchi porizzati è il giunto di malta
che, se realizzato con materiali tradizionali, ha un’elevata conduttanza.
Allora si cerca di ridurre spessore, continuità e conduttività della malta
utilizzata.
Le dimensioni del blocco
variano molto: lo spessore del
giunto dipende dalla tolleranza
dimensionale del blocco.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Resistenze termiche delle murature
123
Conoscendo le conduttività dell’argilla (porizzata) e della malta
(alleggerita) la norma fornisce una conduttività equivalente per
blocchi di geom. definita
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Resistenze termiche delle murature
EN 1745:2002
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
124
Se incastriamo tra loro i blocchi …
125
… si eliminano i giunti verticali, garantendo comunque la tenuta all’aria
e si riduce la trasmittanza del sistema parete.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Il blocco regolarizzato
126
La variazione dimensionale delle ceramiche, a causa delle differenti
risposte dell’argilla al processo di cottura, richiede un importante giunto
di malta di allettamento.
Si possono utilizzare malte isolanti, ma queste hanno una bassa
resistenza meccanica, molto inferiore a quella del mattone, a volte.
Allora si utilizzano colle minerali con blocchi regolarizzati in altezza.
Il problema è
scendere da
K=0,5 a
K=0,25 e
meno ancora!
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Si riduce lo spessore del giunto
http://www.fantiniscianatico.it/
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
127
Malte e procedure di montaggio
128
I sistemi “moderni” hanno bisogno di malte speciali per
l’allettamento e per gli intonaci (basso mod. elastico, isolanti), di reti
e pezzi speciali per mantenere stabili blocchi e rivestimenti.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Blocchi in commercio
Conduttività da 0,15 a 0,10
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
129
Murature monostrato porizzata commerciale
130
Si consideri
che la condutt.
del gazbeton è
dell’ordine di
0,10-015 W/mK
Dalla brochure dei
prodotti Wienerberger
Nell’Europa del nord si trovano in vendita porizzati identificati con codici 012, 011
009: il produttore intende la conduttività equivalente del blocco (ma non basta,
per U<0,2)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Altri prodotti: ! < 0,1 (W/mK)
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
131
Oltre il laterizio!
132
Quindi si tappano gli alveoli con l’isolante: da un prodotto a pareti
sottili (U = 0,35-0,30) si passa ad un prodotto con trasmittanze fino a
0,18 (W/mq K) su circa 45 cm intonaci compresi
Più è leggero e più l’isolante contribuisce in maniera non trascurabile
alla stabilità dei setti in laterizio del blocco.
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Oltre il laterizio
AT-08
133
Lezione di: Enrico De Angelis
Oltre il lecablocco
134
Non vado oltre una trasmittanza di 0,40-0,35 W/mqK. Devo aggiungere
uno strato isolante all’interno, all’esterno …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Oltre il lecablocco
… o pensare un prodotto “composito”
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
135
136
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
Cemento legno …
AT-08
Lezione di: Enrico De Angelis
137