Evoluzione tecnologica dei serramenti: dalle
prestazioni termiche alle prestazioni acustiche
G. CELLAI
Università degli Studi di Firenze, Dipartimento TAeD “P. Spadolini”, [email protected]
Abstract
La recente Direttiva europea 2002/91/CE finalizzata al miglioramento delle prestazioni energetiche
degli edifici, unitamente al Decreto di recepimento n°192/05 mediante l’imposizione di requisiti
termici minimi, mettono in particolare evidenza il ruolo centrale giocato dai serramenti nel controllo
dei consumi energetici, invernali ma anche estivi, senza trascurare la qualità dell’illuminazione naturale. D’altra parte i serramenti sono chiamati anche ad assicurare prestazioni in relazione
all’isolamento acustico delle facciate dei fabbricati, di cui al DPCM 5.12.97. L’autore, a partire dal
quadro legislativo e normativo venutosi a configurare, analizza l’evoluzione tecnologica dei serramenti e delinea un quadro conoscitivo utile sia per i progettisti che per le imprese del settore edile,
con particolare riguardo a quello residenziale che ha un peso rilevante nei consumi energetici globali, evidenziando sia gli aspetti postivi prestazionali che gli aspetti critici, non ultimo l’inevitabile
penalizzazione dell’illuminazione naturale per alcune delle soluzioni proposte.
Simbologia
Ag , Af area rispettivamente del vetro e del telaio (m²)
dj spessore della lastra di vetro dello strato j (m)
D2m,nTw isolamento acustico di facciata (dB)
hr conduttanza radiativa (W/m²K)
hg conduttanza del gas nell’intercapedine (W/m²K).
Gr numero di Grashof (-)
Pr numero di Prandtl (-)
Nu numero di Nusselt (-)
Rse è la resistenza termica superficiale esterna (pari a 0,04 m²K/W con vetro chiaro)
Rsi resistenza termica superficiale interna (assunta pari a 0,13 m²K/W con vetro chiaro)
Rs,j resistenza termica dell’intercapedine j
Rw Indice di valutazione del potere fonoisolante (dB)
s spessore dell'intercapedine (m)
Ug trasmittanza termica della vetrata (W/m²K)
Uf trasmittanza termica del telaio (W/m²K)
Uw trasmittanza termica del serramento (W/m²K)
ε emissività corretta della superficie (-); per vetro chiaro si assume ε = 0,837
per emissività normale εn = 0,89 (perpendicolare alla superficie)
σ costante di Stefan-Boltzmann (5,67⋅10-8 W/m²K4)
λj conduttività termica dello strato j (W/mK)
Ψg trasmittanza termica lineare del distanziatore tra i vetri (W/mK)
TL Flusso luminoso direttamente trasmesso attraverso il vetro (%)
RL Flusso luminoso riflesso direttamente verso l'esterno (%)
Tuv Flusso trasmesso di raggi ultravioletti (UV A+B, da 0,28-0,38 micron) (%)
TE Flusso energetico direttamente trasmesso attraverso il vetro (%).
RE Flusso energetico riflesso direttamente dalla lastra verso l'esterno (%)
g
Fattore solare (%) rapporto tra l'energia solare entrante (somma dell'energia passata direttamente all'interno [TE] più quella assorbita dalle lastre e ritrasmessa all'interno per convezione e
irraggiamento nello spettro dell'infrarosso lontano) ed energia solare incidente
SC coefficiente shading (%) è il rapporto tra l'energia solare totale che passa attraverso la vetrata considerata e l'energia solare totale che attraversa un vetro monolitico chiaro di riferimento di spessore 3 mm. In pratica è SC = g/87.
Ra
Indice di fedeltà dei colori (-)
17
1. L’EVOLUZIONE LEGISLATIVA E NORMATIVA
E’ a partire dalla legge 373 del 1976 contenente le prime disposizioni cogenti in materia di
riduzione dei consumi energetici, attuata mediante il controllo della potenzialità degli impianti, che si impone decisamente l’attenzione sui componenti finestrati: fatti due conti
emerge immediatamente l’impossibilità di mantenere l’uso di serramenti dotati di vetri
semplici caratterizzati da valori di trasmittanza insostenibili. Infatti, avendo il vetro per finestre una conducibilità termica λ=1 W/mK, con uno spessore di 4 mm ed un valore delle resistenze liminari pari a 0,17 W/m2K , si ottiene un valore di trasmittanza Ug = 6 W/m2K. Se si
pensa poi che, approssimativamente, almeno 1/3 dei consumi energetici per riscaldamento delle abitazioni sono da attribuire alle finestre, si comprende immediatamente
l’importanza dell’incremento delle prestazioni di tali componenti.
Da tali constatazioni si cominciano a studiare tutta serie di accorgimenti costruttivi finalizzati alla riduzione della trasmittanza, e di altri parametri come descritto in seguito, che finiranno per interessare non solo i vetri ma anche i telai di sostegno.
Dal 1975 si era inoltre posta l’attenzione su un altro aspetto non secondario svolto dalle
vetrate: quello relativo all’illuminazione naturale; è in tale anno che viene emanato il DM
5 luglio 1975[1], nel quale si prende coscienza che ai serramenti è demandato il compito
di assicurare il comfort visivo, consentire il ricambio naturale dell’aria oltre a controllare i
carichi termici invernali. Il parametro che caratterizza le prestazioni d’illuminazione naturale è il Fattore medio di luce diurna FMLD per il quale si richiedono valori non inferiori al 2%
per gli alloggi, con risvolti pesanti in termini di distanze tra edifici totalmente disattesi sul
piano urbanistico, mentre su quello edilizio ci si ritiene soddisfatti con la regola pratica di
assumere una superficie apribile pari ad 1/8 della superficie del pavimento del locale.
Nel 1991 viene emanata la legge n°10 in attuazione del piano energetico nazionale:
l’attenzione si sposta sul sistema edificio-impianto, si richiedono oltre a verifiche di potenza
anche limitazioni ai consumi e rendimenti minimi agli impianti. L’attenzione sui serramenti si
allarga agli apporti gratuiti dell’irraggiamento solare: il serramento è visto non solo come
dispersore energetico ma anche come elemento che può portare apporti gratuiti, anche
in veste di sistema passivo (serra). Purtroppo non si emanano i Decreti attuativi dell’art. 4
commi 1 e 2 che avrebbero potuto innescare progettazioni più virtuose sotto il profilo costruttivo e tipologico anche dei vari componenti opachi e trasparenti.
Dobbiamo quindi aspettare la Direttiva 2002/91/CE sulle prestazioni energetiche degli edifici ed il susseguente D.Lvo 192/05 [2] per avere una svolta decisiva anche nel modo di
concepire i serramenti: si fissano valori minimi di trasmittanza per i vetri e per i serramenti
nel loro complesso (vetro+telaio), varianti in funzione della zona climatica di appartenenza, e nel contempo si porta l’attenzione anche sulla necessità di controllare i carichi termici estivi, quantomeno con opportune schermature.
Tuttavia, oltre che dagli aspetti termici, il vero elemento di novità è rappresentato
dall’emanazione del DPCM 5.12.97 Requisiti acustici passivi degli edifici: con le prime verifiche fatte per soddisfare il requisito minimo d’isolamento acustico di facciata D2mnTw, variante da un minimo di 40 dB per le residenze ai 48 dB per gli edifici scolastici, si è immediatamente compreso che le facciate dotate di comuni serramenti non erano assolutamente in grado di soddisfare le esigenze suddette (cfr. Tabella B del decreto citato).
In sintesi, ad oggi, la legislazione accennata ha comportato per i serramenti la verifica di
requisiti che spaziano dal regime termico, invernale ed estivo, alla qualità
dell’illuminazione naturale fino al controllo del rumore, in una visione olistica della problematica progettuale dei serramenti oramai inscindibile.
L’evoluzione normativa è stata seguita di pari passo da quella tecnologica: il miglioramento delle prestazioni di vetri e telai di sostegno, hanno portato alla nascita di finestre
dotate di vetri speciali, con telai aventi elevatissime tenuta all’aria con risvolti sia sui con-
18
sumi energetici ma anche della qualità dell’abitare finalizzata al benessere delle persone,
quali il controllo dell’irraggiamento solare e la riduzione del rumore in ingresso.
Ad esempio, un tipico serramento in legno, dotato di doppio vetro 4-6-4 (due lastre di vetro chiaro di sp. 4 mm con intercapedine d’aria di 6 mm) ha una trasmittanza di circa 3,3
W/m²K e, con le dimensioni delle finestre calcolate con la regola di 1/8, consente attualmente di verificare i parametri della legge 10/91 (il Cd, coefficiente volumico di dispersione termica ed il FEN, fabbisogno energetico normalizzato); tuttavia il potere fonoisolante
Rw di tale serramento non supera i 30 dB: poiché le prestazioni della facciata sono condizionate dall’elemento acusticamente più debole, costituito dal serramento piuttosto che
dalla muratura, ecco che il valore richiesto per Rw dovrà essere non inferiore a circa 35-36
dB per le residenze e a 44 - 46 dB per gli edifici scolastici.
Il settore edilizio ha quindi spostato progressivamente la sua attenzione dalle prestazioni
termiche, inizialmente soddisfatte dai comuni doppi vetri, a quelle acustiche ed ora nuovamente a quelle termiche ben più restrittive rispetto a quelle degli anni ‘90: il progettista
è così costretto ad esaminare soluzioni tecnologiche per la progettazione delle finestre
che, pur tenendo conto del rapporto aeroilluminante, devono consentire il soddisfacimento del requisito acustico e termico riducendo sensibilmente i consumi energetici rispetto alla pratica corrente.
2. PRESTAZIONI TERMICHE
A partire dal 1976, la necessità di dover ridurre le dispersioni termiche per trasmissione al
fine di verificare il coefficiente di dispersione termica volumica Cd (W/m3K) della legge
373, ha di fatto imposto l’uso di doppi vetri uniti al perimetro, montati su telai dotati di una
discreta tenuta all’aria. Dal punto di vista termico si adottano così in modo indifferenziato,
da nord a sud, i doppi vetri uniti al perimetro, con telaio che sempre più spesso è di tipo
metallico (alluminio) e in misura sempre minore in legno, mentre si affacciano sul mercato
anche telai in PVC, grazie alla stabilità raggiunta da tale materiale.
La situazione è rimasta immutata fino all’agosto del 2005 quando il D.Lvo 192 ha imposto i
valori limite delle Tabelle I e II riferite rispettivamente al serramento (telaio + vetro) ed al solo vetro.
E’ facile osservare come già da adesso i classici doppi vetri siano utilizzabili solo nelle zone
A e B e quindi praticamente solo nel Sud d’Italia, mentre a partire dal 2009 spariranno praticamente di circolazione, considerato anche la necessità di soddisfare le esigenze acustiche.
I componenti finestrati (vetro + telaio) sono soggetti alle seguenti modalità di scambio
termico:
- convettivo e radiativo tra le superfici esterne con l'aria ambiente adiacente a causa
delle differenze di temperatura;
- radiativo, a lunghezze d'onda superiori a 2,5 μm (infrarosso), tra le superfici esterne e
l'ambiente circostante ( terreno, edifici, cielo, ambiente interno, ecc.);
- radiativo, per l’irraggiamento solare diretto o per riflessione dall'ambiente circostante
per lunghezze d'onda inferiori a 2,5 μm ( zona compresa tra l'ultravioletto e l'infrarosso)
- conduttivo-convettivo e radiativo all'interno delle intercapedini (per finestre semplici
con vetri doppi o finestre doppie);
- per trasmissione dell'energia solare incidente.
19
Il calcolo delle prestazioni termiche sono state oggetto di specifiche norme tecniche sia
per i vetri sia per il serramento nel suo complesso quali, le UNI 7144 e 10345[3], sostituite rispettivamente dalla UNI EN 673[4] e UNI EN ISO 10077-1[5].
Unitamente alle prestazioni termiche, per le implicazioni energetiche ma anche acustiche, si sono classificati i serramenti anche in funzione della tenuta all’aria con la UNI EN
12207 [6] che ha sostituito la UNI 7979, mentre le prestazioni in termini di trasmissione della
radiazione luminosa e solare sono state normate dalla UNI EN 410 [7].
Trascurando gli effetti della radiazione solare e delle infiltrazioni d’aria, la trasmittanza termica del serramento UW è data dalla seguente relazione riportata nella UNI EN ISO 10077
(v. figura 1):
UW = Ag Ug + Af U f + Ig Ψg / (Ag + Af )
(W/m²K)
(1)
Fig. 1 -
Ψg
Ug
Uf
20
Per quanto attiene al componente vetrato la trasmittanza termica Ug è calcolata mediante la seguente relazione in conformità alla EN 673 (v. figura 2):
Ug = 1/ (Rsi +
dj
∑ λj + ∑ Rsj + Rse)
esterno
Rse
(W/m²K)
(2)
j
j
d
d
λ
λ
Rs
interno
Rsi
Fig. 2 - Resistenze termiche incontrate dal flusso di calore entrante/uscente
La descrizione delle prestazioni energetiche del componente finestrato avviene dunque
mediante le suddette trasmittanze, tra le quali compaiono le resistenze liminari hi e he assunte convenzionalmente per vetri comuni, senza trattamenti, rispettivamente pari a 8 e
23 W/m2K. Dall’esame delle (1) e (2) appare evidente che il ruolo principale ai fini della
resistenza termica è svolto dall’intercapedine vetrata il cui valore è dato da:
Rs = 1/hs = 1/(hr + hg) (m²K/W)
Dopo l’iniziale successo dei doppi vetri, si sono susseguite una serie di ricerche tutte concentrate ad incrementare le prestazioni dell’intercapedine (v. figura 3):
uso di gas con minor conduttività dell’aria;
trattamento superficiale dei vetri con conseguente riduzione dell’emissività;
frazionamento dell’intercapedine (con ulteriori vetri o con films);
uso di distanziatori dotati di bassa conduttività termica.
radiativi
Bassa emissività
conduttivi
convettivi
Conduttivi
di telaio e
del bordo di
unione
Gas speciali e frazionamento
dell’intercapedine
Miglioramento di telai e
distanziatori
Fig. 3 - Trasmissione termica nelle vetrate e conseguenti azioni di controllo
21
2.1 La riduzione degli scambi termici conduttivi e convettivi
Le prestazioni termiche di vetri singoli sono assai scarse se confrontate con quelle dei
doppi vetri separati da una lama d’aria: rimanendo all’esempio precedente, un vetro
chiaro singolo di 4 mm presenta una trasmittanza di circa 6 W/m²K contro una trasmittanza di 3,3 W/m²K di un vetro doppio 4-6-4 con 6 mm di camera d’aria.
Il miglioramento della prestazione è da attribuire alle resistenze termiche radiative e convettive-conduttive che si verificano nell’intercapedine contenente aria disidratata, di cui
è sfruttata la bassa conducibilità termica λ pari a circa 0,025 W/mK, ovvero con una conducibilità termica 40 volte inferiore a quella del vetro.
L’aria, come i gas in genere, posta in intercapedini ed in stato di quiete assicura elevati
valori di resistenza termica, per cui si sarebbe tentati di aumentare lo spessore della stessa
per incrementarne la resistenza dell’intercapedine: tuttavia si osserva che oltre spessori di
circa 16 mm la resistenza termica tende a decrescere; ciò è dovuto all’insorgenza di moti
convettivi nell’aria dell’intercapedine che innescano la convezione riducendo la resistenza termica complessiva. Per ovviare a tale inconveniente e soprattutto per cercare di ottenere a parità di spessore resistenze termiche maggiori, si è pensato all’uso di gas diversi
dall’aria.
In Tabella III sono riportate le proprietà termofisiche di alcuni gas comunemente impiegati
al posto dell’aria: essi hanno valori di conduttività più bassi e di viscosità dinamica più alti.
In sintesi mediante l’uso di gas diversi dall’aria da un lato si può mantenere spessori
dell’intercapedine elevati senza innescare moti convettivi, dall’altro si ottengono maggiori
valori di resistenza termica con spessori più ridotti (v. Tabella IV [8]): quest’ultimo è un fatto
essenziale dal punto di vista costruttivo e dei costi dovendo contenere lo spessore del telaio del serramento. Volendo fare un confronto tra aria e Argon si può vedere che la produzione nel primo caso si attesta normalmente su spessori fino a circa 12 mm, mentre con
l’Argon sui 15-16 mm, con valori maggiori giustificati solo dalla necessità di incrementare il
potere fonoisolante. Ciò si dimostra a partire dal calcolo della conduttanza del gas hg,
data dalla seguente relazione:
hg = Nu λ/s
con Nu numero di Nusselt (-). Per moto laminare si ha:
Nu = A (Gr Pr)n
(3)
dove:
A è una costante (pari a 0,035 per superficie verticale);
n è un esponente (pari a 0,38 per superficie verticale).
Fisicamente Nusselt rappresenta il rapporto tra scambio termico convettivo hg e conduttivo λ/s e quindi per valori ≤ 1 la resistenza termica è solo di tipo conduttivo (per valori < 1
si assume Nu = 1), viceversa si è in presenza di convezione e quindi si riduce la resistenza
termica dell’intercapedine per valori >1. Valori contenuti di Nu si ottengono riducendo
nella (3) Gr e/o Pr che rappresentano rispettivamente il rapporto tra forze di galleggiamento e forze viscose del fluido ed il rapporto tra l’attitudine al trasporto della quantità di
moto e l’attitudine al trasporto di calore (diffusività termica).
Se osserviamo ancora la relazione (2) si vede come a parità di spessore complessivo
dell’intercapedine, se la stessa viene frazionata, introducendo un terzo/quarto vetro, la
resistenza della vetrata aumenta: ad esempio una intercapedine di 12 mm ha una resistenza termica di circa 0,16 m²K/W mentre due intercapedini 6+6 presentano una resistenza di circa 0.26 m²K/W.
Nella Tabella V sono riportati i risultati dei calcoli, con le stesse ipotesi assunte per la Tabella IV, usando aria e doppia-tripla intercapedine (vetri tripli/quadrupli) [8].
22
Tuttavia un vetro di spessore pari a 6 mm pesa 15 kg/m2 e pertanto un triplo/quadruplo
vetro porta ad un peso di 45-60 kg/m2: ciò richiede telai di spessore maggiore e cerniere
in grado di reggere tali pesi con ante aperte, che nel tempo possono manifestare svergolamenti.
Tab. III - Proprietà termofisiche di alcuni gas usati nelle intercapedini vetrate
Gas
Conduttività
termica λ
Capacità
termica
Kg/m3
1,277
Viscosità
dinamica
⋅ 10-5
Kg/ms
1,761
(W/mK)
0,0250
kJ/kgK
1,008
10
1,699
2,164
0,0168
0,519
10
6,360
1,459
0,0127
0,614
10
3,560
2,670
0,0090
0,245
Temperatura di
riferimento
Massa
volumica
Aria
°C
10
Argon
SF6
esafluoruro di
zolfo
Kripton
Tab. IV - Valori di Rs per alcuni tipi di gas mantenendo un regime conduttivo*
Tipo di Gas
Spessore s (mm)
Grashof
per valori di Nu ≤ 1
Aria
Argon
SF6
Rs
(m²K/W)
16
0,76⋅104
0,194
16
1⋅104
0,214
5
0,83⋅104
0,163
Kripton
10
0,74⋅104
0,225
* doppi vetri con spessore 4 mm con emissività ε = 0,837, per
una differenza di temperatura tra le superfici affacciate
nell’intercapedine pari a circa 10 °C.
La ricerca ha portato alla produzione di film plastici (Teflon), stabili all’azione dei raggi ultravioletti, di frazioni di millimetro e di peso trascurabile, che possono anch’essi avere proprietà basso-emissive, e che sono stati inseriti nelle intercapedini vetrate al fine di
frazionarle aumentandone così la resistenza termica complessiva e riducendo peraltro i
punti critici di tenuta del gas (v. figura 4).
Tab. V - Valori di Rs incrementando le intercapedini e mantenendo un regime conduttivo* [8]
n° di
Vetri
Spessore s delle
intercapedini (mm)
Rs1
(m²K/W)
Rs2
(m²K/W)
Rs3
(m²K/W)
Rs
(m²K/W)
3
6+6
0,131
0,124
-
0,255
12+12
0,180
0,168
-
0,348
6+6+6
0,133
0,128
0,122
0,383
12+12+12
0,181
0,174
0,165
0,520
4
* gas aria, con le intercapedini 1, 2 e 3 numerate dall’esterno verso l’interno
23
coating
coating
Due intercapedini
sigillate a diversa
pressione e
temperatura
Film plastico
Vetro standard
spesso e pesante
4 punti critici di tenuta del
gas con due distanziatori
Distanziatore unico
2 soli punti critici di
tenuta del gas
coating
Film plastico
Vetrata con triplice intercapedine a doppio
strato di film plastico
Fig. 4 - Evoluzione tecnologica dal triplo vetro al film plastico
per il frazionamento dell’intercapedine
2.2 La riduzione degli scambi termici radiativi: i vetri basso emissivi
Potendo fare il vuoto tra le lastre vetrate, lo scambio termico si riduce al solo irraggiamento e, indipendentemente dallo spessore, l’intercapedine raggiunge un valore massimo di
Rs = 0,276 m²K/W per un salto termico tra le facce vetrate di circa 10 °C.
Il valore della conduttanza radiativa hr tra due superfici affacciate su intercapedini vetrate è dato dalla seguente relazione:
hr = 4 σ (1/ε1 + 1/ε2 –1)-1 Tm3
(4)
Dalla (4) si rileva che tanto più bassi sono i valori delle emissività ε1 - ε2, tanto minore è il valore della conduttanza radiativa.
I trattamenti superficiali al fine di ottenere vetri con emissività sensibilmente inferiore a
quella dei comuni vetri sodico calcici, pari a 0,837, è stata introdotta al fine di incrementare le resistenze radiative (v. UNI EN 1096-1, 2000 Vetri rivestiti - Definizione e classificazio-
24
ne). I vetri basso emissivi raggiungono pertanto valori d’emissività fino a 10 volte inferiori a
quelli del vetro comune.
Il trattamento viene fatto generalmente in faccia due o tre con riferimento a figura 5, oppure su entrambe le facce rivolte verso l’intercapedine. Più raramente si ricorre a vetri
basso emissivi con trattamento in faccia 1 al solo fine di ridurre gli scambi termici radiativi
con l’esterno, in quanto normalmente predomina lo scambio termico convettivo.
esterno
interno
1
2
3
4
coating
esterno
interno
1
2
3
4
Fig. 5 - Identificazione delle facce dei vetri e posizione dei trattamenti (coating)
Più interessante è il trattamento in faccia 4 dove, in base alla relazione (5), si vede come
assumendo valori di emissività pari a 0,1 si riduca di circa 9 volte il valore di hr dei vetri
chiari comuni, rendendo trascurabile lo scambio termico radiativo a fronte di quello convettivo: infatti mentre la conduttanza radiativa hr per vetro comune è uguale a 4,4
W/m2K, per valori di ε minori a 0,837 si ha:
hr = 4,4 ε /0,837
(5)
La conduttanza convettiva hc per superficie verticale e convezione naturale si assume
convenzionalmente pari a 3,6 W/m2K, infine :
hi = hc + hr = 3,6 + (4,4 ε /0,837)
(6)
con hi = 8 W/m2K per vetri comuni. Nella figura 6 sono riportati i valori di Rs in funzione dello
spessore dell’intercapedine e del valore dell’emissività (un solo vetro trattato).
Nella figura 7 è riportato il bilancio termico per un vetro doppio con trattamento selettivo
nei confronti dell’irraggiamento solare[9]. Il trattamento dei vetri è definito e classificato
dalla UNI EN 1096-1, ed avviene sostanzialmente depositando uno o più strati di metalli,
ossidi, fluoruri o altri composti caratterizzati da bassa emissività sul supporto costituito dal
vetro di base.
25
Rs (m²/KW)
0.500
0.450
0.400
0.350
0.300
0.250
0.200
0.150
0.837
0.4
0.2
0.1
0.100
0.050
0.000
6
9
12
15
spessore intercapedine (mm)
Fig. 6 - Valori della resistenza dell’intercapedine Rs al variare dello spessore e dell’emissività
(una sola superficie trattata)[5]
La UNI EN ISO 10077-1 riporta tabelle con valori precalcolati della trasmittanza Ug di vetrate doppie e triple, in funzione del numero, dello spessore dei vetri e dell’intercapedine, del
trattamento dell’emissività e del tipo di gas (v. Tabella V).
Fig. 7 - Diagramma del bilancio termico di una vetrata isolante di tipo basso-emissivo
(coating in faccia 3)
Dall’esame della Tabella VI si evince, come il limite della trasmittanza si sposta a valori
confrontabili con quelli di un muro isolato (circa 0,5 W/m2K).
In breve nel volgere di pochi anni l’evoluzione tecnologica consente l’uso di vetrate aventi trasmittanza minore di oltre 10 volte quella del vetro singolo (da 6 a 0,5 W/m2K).
Si stima di raggiungere un obbiettivo di circa 0,3 W/m2K per incontrare le esigenze delle
zero-energy house. Un ulteriore incremento delle prestazioni è poi atteso dal controllo di26
namico degli apporti solari che può ridurre ulteriormente i carichi termici invernali (aumento degli apporti gratuiti) ed estivi (riduzione dell’irraggiamento entrante).
A causa dei costi l’uso di tali tipologie vetrate è attualmente assai ridotto: nel mercato dei
serramenti degli USA la loro diffusione è pari a circa l’1%.
2.3 La limitazione dell’apporto energetico e luminoso: vetri riflettenti e selettivi
Non meno importanti degli aspetti energetici sono quelli ottici che ovviamente hanno riflessi anche sul piano energetico considerato che circa il 42% dell’energia solare è irradiata nel campo del visibile.
La trasmissione delle radiazioni solari attraverso un vetro è dipendente dalla lunghezze
d’onda della radiazione incidente, dall’angolo d’incidenza e dal tipo di vetro attraversato dalla radiazione (spessore e presenza o meno di trattamenti superficiali), nonché dalla
geometria del sistema finestrato.
I parametri che esprimono le prestazioni ottiche ed energetiche nei confronti
dell’irraggiamento solare sono rispettivamente la trasmissione luminosa TL (%) ed il fattore
solare g (%) entrambi definiti dalla EN 410 per il campo di lunghezze d’onda comprese nel
visibile (0,38 – 0,74 μm) e dall’ultravioletto all’infrarosso vicino (0,3 - 2,5 μm).
Per assicurare una buona protezione dall’irraggiamento solare un vetro deve avere un valore g compreso tra il 15 ed il 20%, tuttavia ciò comporta una forte riduzione di TL, con
conseguente peggioramento dell’illuminazione naturale.
Un altro parametro degno d’attenzione è la trasmissione dei raggi ultravioletti Tuv (0,30,38 μm) per gli effetti di decolorazione che gli stessi hanno sui tessuti.
Il trattamento superficiale del vetro (coating) può essere pertanto fatto sia per ridurre
l’emissività ma anche per controllare l’apporto solare e luminoso: esso può essere di tipo
chimico o fisico; nel primo caso si sfrutta l’elevata temperatura del vetro all’uscita del forno Float di colata (circa 600 °C) per fissare lo strato di trattamento (coatings pirolitici); nel
secondo caso si usano impianti separati, tra i quali il più avanzato è quello denominato
“Magnetron Sputtering” che consente il deposito dei metalli per ionizzazione sottovuoto in
diversi strati di films, consentendo una vasta gamma cromatica ed una elevata variabilità
dei parametri luminosi ed energetici; tali depositi sono denominati magnetronici o sottovuoto e sono alla base della produzione dei vetri speciali con proprietà molteplici denominati antisolari, basso-emissivi e selettivi.
Con il deposito pirolitico si raggiungono valori dell’emissività fino a circa 0,2 ÷ 0,3, mentre
valori inferiori si ottengono con il deposito sottovuoto.
In funzione delle prestazioni i vetri speciali possono pertanto essere classificati in [9]:
a) Vetri antisolari -riflettenti
b) Vetri per isolamento termico - basso-emissivi
c) Vetri antisolari basso-emissivi-riflettenti (Vetri Selettivi)
a) I vetri antisolari-riflettenti sono stati studiati per limitare l'apporto energetico e luminoso
della radiazione solare esterna, incidente sulla superficie del vetro. Questo comportamento e dovuto alla proprietà del coating di riflettere verso l'esterno e di assorbire l'energia solare incidente facendola passare solo in parte. Analogo comportamento lo si ottiene per
la radiazione luminosa che viene in parte riflessa, in parte assorbita ed in parte trasmessa
(v. figura 7). I vetri riflettenti trovano il loro naturale impiego nelle odierne architetture hitech con facciate in vetro strutturale nelle quali è prioritario il controllo della radiazione solare per ragioni di comfort, dando un contributo essenziale alla riduzione delle spese di
esercizio degli impianti di climatizzazione; infatti, il principio con cui sono stati progettati i
vetri antisolari si basa essenzialmente sulla diminuzione del flusso luminoso esterno che porta alla riduzione dell'apporto energetico.
b) I vetri basso-emissivi, come evidenziato in precedenza, sono finalizzati ad ottimizzare l'isolamento termico e, nel contempo, senza penalizzare eccessivamente l'apporto di luce
ed energia solare proveniente dall'esterno. L'emissività del coating è minore anche rispet27
to ad un vetro Riflettente. I vetri basso-emissivi sono impiegati soprattutto nei paesi con
clima freddo.
Tab. VI - Trasmittanza termica Ug di vetrate doppie e triple riempite con differenti gas [5]
28
c) I vetri antisolari-basso-emissivi racchiudono nello stesso coating di rivestimento le caratteristiche dei due vetri sopra descritti (vedi figura 8). A differenza dei vetri antisolari permettono un maggior passaggio del lusso luminoso a fronte di un sempre limitato apporto
energetico della radiazione solare: pertanto vengono detti vetri Selettivi. Rispetto ai vetri
basso-emissivi hanno emissività eguali se non più basse e, di conseguenza, hanno ottimi
valori di isolamento termico. Il loro impiego è ottimale nelle regioni con clima temperato
dove si alternano stagioni fredde e calde.
Un comportamento analogo lo si può ottenere assemblando in vetrata isolante un vetro
antisolare-riflettente con uno basso-emissivo: in tal caso però il flusso luminoso è ridotto
come nei vetri riflettenti (v. figura 9).
Nella Tabella VII è riportato il campo delle prestazioni dei vetri speciali con trattamenti di
tipo fisico e magnetronico (tipologia del vetro 6-12-6), che consente un immediato riscontro tra prodotti vetrari aventi stesso tipo di prestazioni ma differenti processi produttivi. Con
il trattamento fisico il coating riflettente e basso-emissivo è posto in faccia 2 mentre con il
magnetronico il coating riflettente è in faccia 2 ed il basso-emissivo in faccia 3
Tabella VII - Prestazioni di prodotti speciali presenti sul mercato [adattata da 9]
Parametro
coating
TL
RL
g
Ra
min
max
min
max
min
max
min
max
min
20
66
12
54
13
49
85
95
6
7
33
8
46
8
33
93
97
3
Tuv
max
Ug
min
max
20
1,1*
2,9
24
1.1*
2,9
fisico
coating
magnetronico
* con gas Argon e una lastra con ε = 0.05
L’aspetto estetico dei vetri è molto importante per le opere d’architettura; con i vetri
speciali è possibile ottenere diverse gamme di colori tipo argento, bleu, bronzo, verde,
grigio, ecc.
Fig. 7 - Prestazioni termiche ed ottiche di una vetrata antisolare-riflettente (coating in faccia 2) [9]
TL = 18 g = 22 SC =25
29
Fig. 8 - Vetrata selettiva antisolare basso-emissiva - Diagramma del bilancio termico e luminoso[9]
TL = 49 g = 36 SC = 41
Fig. 9 - Vetrata selettiva antisolare basso-emissiva e riflettente - Diagramma del bilancio termico e
luminoso[9]. TL = 33 g = 30 SC = 34
Tuttavia il problema alla base dell’uso di tali vetrate è costituito dal basso valore della trasmissione luminosa, e dalla possibile alterazione della percezione dei colori all’interno dei
locali, che può richiede una integrazione con luce artificiale anche in periodo diurno.
30
Nelle grandi opere di architettura si evitano tali problematiche realizzando pozzi di luce
interni agli edifici, talvolta vere e proprie piazze, sostanzialmente schermati
all’irraggiamento solare diretto, e verso i quali si utilizzano vetrate che assicurano elevati
valori di TL.
3. LE PRESTAZIONI ENERGETICHE DEI TELAI
L’altro componente del serramento è costituito dal telaio. Due sono gli aspetti essenziali
che sono stati presi in esame ai fini delle prestazioni termiche, con sviluppi anche per quelle acustiche:
- l’uso di telai metallici con taglio termico;
- l’uso di distanziatori con bassa conducibilità termica;
- l’incremento della tenuta all’aria.
Per ridurre il ponte termico, in corrispondenza del telaio metallico, causa anche di condensazione del vapor d’acqua, si è fatto ricorso a soluzioni costruttive definite a taglio
termico; il taglio può essere considerato tale solo se separa completamente le sezioni del
profilo metallico del lato freddo dalle sezioni del lato caldo.
Le suddette tipologie costruttive si realizzano con l’inserimento nel telaio di materiale plastico a bassa conduttività termica (ad esempio listelli di poliammide rinforzati con fibra di
vetro).
Nella figura 10 è rappresentato un tipico telaio in alluminio con e senza taglio termico.
Telaio senza taglio termico
Telaio con taglio termico
Fig. 10 - Esempi di tipici telai in alluminio senza e con taglio termico (listelli di poliammide)
31
La trasmittanza termica di un telaio in alluminio è pari a circa 6 W/m²K, confrontabile
quindi con quella di un vetro singolo, che si riducono a circa 3 W/m²K con il taglio termico.
Per i telai metallici a taglio termico in genere, la UNI ENISO 10077-1 (v. prospetto D.4
app.D) fornisce valori di Uf in funzione della più piccola distanza tra sezioni opposte di alluminio, d, in mm (v. figura 11), e del valore di conducibilità termica del materiale di taglio
termico (compresa tra 0,1 e 0,3 W/mK).
In figura 11 è riportata la sezione di un tipico profilo in alluminio ed i corrispondenti valori Uf
in funzione delle dimensioni (NC) dello stesso.
NC
d
Profili in alluminio
Valore Uf (W/m2K)
NC 72.1 STH
2,1 - 2,4
NC 72 STH
NC 65 STH
NC 50 STH
NC 68 STH
NC 45 STH
2,3 - 2,8
2,4 - 3,3
2,8 - 3,7
2,6 - 3,5
3,2 - 4,2
Fig. 11 - Sezione di un profilo in allumnio e valori della trasmittanza Uf
(fonte Ditta METRA)
Con telai in materie plastiche la UNI suddetta (v. prospetto D.1 app.D) da un valore della
trasmittanza Uf che varia tra 2,0 (PVC con profilo vuoto) e 2,8 W/m²K (poliuretano con anima di metallo) e quindi è simile a quella del legno (v. figura 12).
Per i telai in legno le stesse norme forniscono un grafico di calcolo in funzione dello spessore df e della natura del legno, riportato in figura 13.
Poiché i telai in legno hanno spessori normalmente compresi tra 50 e 60 mm, la trasmittanza varia tra 1,9 e 2,3 W/m²K, e quindi è generalmente inferiore a quella dei telai metallici
con taglio termico.
32
Fig. 12 - Serramento in PVC con doppia guarnizione e telaio di rinforzo in tubolare d'acciaio
Fig. 13 - Trasmittanza Uf di telai in legno [5]
La trasmittanza termica della vetrata, Ug, è applicabile all’area centrale della stessa e non
include gli effetti dei distanziatori del vetro posti sul bordo dello stesso. La trasmittanza
termica lineare Ψ tiene conto della conduzione termica aggiuntiva dovuta all’interazione
tra il telaio, la vetrata e il distanziatore. Per distanziatori in alluminio e in acciaio, la UNI EN
ISO 10077-1 indica valori di Ψ, per una specifica gamma di tipi di telai e vetrate, varianti
33
tra 0,02 e 0,08 W/mK (v. prospetto VIII1), con i valori inferiori per distanziatore in materiale
plastico.
Tab. VIII - Valori della trasmittanza termica lineare Ψ per distanziatori per vetro in alluminio e in acciaio
Nella Tabella IX sono riportati alcuni valori della trasmittanza della finestra Uw in funzione di
Ug e Uf , tenuto conto dell’influenza di Ψ.
Ebbene si può vedere che l’influenza del telaio è tanto maggiore quanto minore è la trasmittanza del vetro.
Tab. IX - Trasmittanze termiche per finestre con percentuale dell’area di telaio pari al 30% dell’area
dell’intera finestra (UNI EN ISO 10077-1)
Ug
Uf
In particolare in base al D.Lvo 192/05, a partire dal gennaio 2009 si deve puntare a valori
di Uw varianti tra un minimo di 2,2 e 3,0 W/m2K (Zone C,D,E,F), pertanto, con telai metallici,
sarà obbligatorio l’uso di profili a taglio termico di elevata prestazione.
Ad esempio, per le zone F è richiesto Ug = 1,6 e Uw = 2,2 W/m2K: tali valori possono essere
soddisfatti con valori Uf ≤ 2,6 W/m2K non tanto facili da raggiungere (v. figura 11).
Nella Tabella X sono riportati, in funzione delle zone climatiche i valori Uf richiesti per soddisfare il requisito. L’ultimo, ma non per questo meno importante, è l’aspetto della tenuta
all’aria del serramento, che può essere espressa mediante classificazione della permeabilità all'aria del campione sottoposto a prova riferito all'intera area [6].
1Questi
valori sono ricavati per vetrate doppie a bassa emissività, Ug ~ 1,3 W/(m2·K) e per vetrate
triple a bassa emissività, Ug ~ 0,7 W/(m2·K).
34
Tab. X - Valori massimi di Uf per il D.Lvo 192/05 a partire dal 1/1/20091
Zona climatica
n° di Vetri
A
B
C
D
E
F
2
Ug
Uf
Ug
Uf
Ug
Uf
Ug
Uf
Ug
Uf
Ug
Uf
5,02
3,8
3,0
3,8
2,3
3,8
2,1
3,4
Uw
3,6
3,0
2,8
5,02
1finestre con telaio pari al 30% della superficie della finestra
2valore non realistico dovendo soddisfare il requisito acustico
1,9
3,4
1,6
2,5
2,6
2,2
La classificazione è fatta in 4 classi, assumendo il valore di permeabilità per una pressione
di riferimento di 100 Pa (v. Tabella XI). Poiché i serramenti devono comunque assicurare
tenute all’aria non inferiori alle classi 3-4 per soddisfare i requisiti acustici, è necessario che
il telaio sia dotato di almeno due guarnizioni di tenuta sulla battuta (v. figura 14).
Tabella XI - Classificazione tenuta all’aria alla pressione di 100 Pa
e scadimento prestazione acustica
Classe
Portata aria
Penalizzazione acustica*
di infiltrazione (m3/h m²)
(dB)
1
27-50
5-8
2
9-27
2-5
3
3-9
1-2
4
1-3
≤1
* Possibile correzione da applicare al potere fonoisolante Rw del serramento
Dall’esame dei valori di Tabella XI appare evidente che le infiltrazioni d’aria possono rappresentare il contributo maggiore in assoluto alle dispersioni termiche, oltre che una penalizzazione in termini di prestazioni acustiche, per valori di tenuta inferiore alla classe 3.
Guarnizioni
di tenuta
Guarnizioni
di tenuta
Fig. 14 - Sezione schematica di serramento in legno con doppia guarnizione
35
4. PRESTAZIONI ACUSTICHE
Il decreto 5 dicembre 1997 [10] ha stabilito i valori minimi d’isolamento acustico di facciata D2m,nT,w (v.Tabella XII), in funzione della diversa tipologia degli edifici. I valori minimi si riferiscono ai componenti in opera, e possono pertanto essere soggetti a collaudo a costruzione ultimata. Per le facciate con componenti finestrati, il rispetto dei valori suddetti impone ai serramenti prestazioni particolarmente elevate, ed in special modo al vetro: in altri termini è il serramento che condiziona la prestazione d’isolamento acustico della facciata.
Tab. XII – Valori minimi di isolamento acustico di facciata [10]
categoria di edificio
residenze, alberghi, pensioni e simili
D2m,nT,w
40
uffici, edifici per il culto, il commercio e simili
42
ospedali, cliniche, case di cura e simili
45
scuole e simili
48
La prestazione acustica di un serramento, espressa dall’indice di valutazione del potere
fonoisolante Rw, (dB) è condizionata in ordine d’importanza:
• dalla tipologia e dal numero di vetri;
• dalla tenuta all’aria del telaio (v. Tabella XI);
• dal distanziatore.
Le prestazioni acustiche di finestre dotate di vetrate termoisolanti classiche, tipo 4-12-4,
aventi circa Rw = 30 dB non sono tali da soddisfare i requisiti acustici richiesti per le protezione delle facciate, qualunque sia la categoria degli edifici (v. Tabella XII).
Occorrono valori Rw di circa 37-38 dB per le residenze e a crescere progressivamente fino
a raggiungere valori prossimi a 46 dB per le scuole.
Dall’esperienza delle valutazioni eseguite su progetto e collaudi in opera, si può considerare che, all’incirca, il valore di Rw del serramento può essere dedotto dall’isolamento acustico richiesto dalla facciata con la seguente relazione:
Rw = D2m,nT,w - 2÷4 dB
(5)
La relazione (5) è valida a condizione che il serramento presenti un’elevata tenuta all’aria
e la posa in opera sia eseguita a regola d’arte, ovvero senza creare dei ponti acustici in
corrispondenza della giunzione telaio-muratura.
Per quanto attiene la prestazione acustica dei vetri, considerato che l’intercapedine, per
le considerazioni termiche esposte, non raggiunge spessori superiori a 18-20 mm, questa è
affidata essenzialmente alla massa superficiale totale del vetro m’ (kg/m²) e, a parità di
massa, alla utilizzazione di vetri stratificati tra loro desolidarizzati dalla presenza dello strato
elastico:
Il caso ha quindi voluto che le vetrate stratificate (v. UNI EN ISO 12543-1/6), nate per ragioni di sicurezza antieffrazione e antinfortunio, offrano un sensibile miglioramento nelle
prestazioni acustiche, da qui il loro rapido diffondersi tanto da diventare oramai insostituibili. Il miglioramento è da attribuire alla composizione delle vetrate: esse sono infatti costituiti da due o più lastre unite tra loro mediante uno o più strati plastici che funge da collante, e che ha un effetto smorzante sulle vibrazioni sonore. Tra i materiali plastici più diffusi
vi è il PVB (Polivinilbutirrale), usato normalmente in spessori fino a circa 0.9 mm (doppio
strato), ora sostituito da resine speciali appositamente studiate a fini acustici. Il materiale
plastico consente un incremento delle prestazioni da 2 a 5 dB, come si evince dalla figura
36
15, dove sono riportati l’andamento dei valori d’isolamento acustico R per vetri singoli e
stratificati con diversi tipi di materiale: in pratica con l’uso di resine si riesce ad eliminare il
fenomeno della coincidenza dal campo di frequenze di pratico interesse. Per mantenere
le proprietà elastiche del materiale, nel caso di doppi vetri di cui uno solo stratificato è
consigliabile disporre quest’ultimo verso l’interno (lato caldo).
La desolidarizzazione deve essere assicurata anche dal distanziatore, e pertanto è necessario che non sia rigido ma elastico: ciò consente alle lastre di vibrare in modo indipendente esaltando così la prestazione complessiva; al fine di contenere fenomeni di coincidenza sonora, che penalizzano le prestazioni acustiche, è anche consigliato differenziare
lo spessore dei vetri (v. figure 16 e 17). Peraltro anche il taglio termico contribuisce alla desolidarizzazione in esame.
Fig. 15 - Valore del potere fonoisolante di vetrate semplici e composte (fonte Saint-Gobain Glass)
Per quanto attiene alla prestazione complessiva del serramento, l’influenza del telaio può
essere valutata facendo riferimento alla figura 17 tratta dal prEN 14351[11], dove il valore
Rw della finestra è desunto empiricamente da quello del vetro, generalmente fornito dai
produttori. La figura 18 fa riferimento a classi di tenuta all’aria ≥ 2, e prevede valori non
superiori a 45 dB per il serramento; per valori superiori a 37 dB è necessario utilizzare almeno due guarnizioni di tenuta sulla battuta dell’anta apribile.
Dall’esame del grafico è possibile rilevare che il telaio esercita un’influenza negativa sulla
prestazione del vetro a partire da valori superiori a circa 38 dB: questo significa che, per
ottenere le prestazioni richieste dalla legge, è necessario porre molta attenzione
nell’esecuzione del telaio; in pratica questo deve essere in grado non solo di sopportare
nel tempo il peso maggiorato ai fini acustici della vetrata, ma anche di mantenere invariate le capacità di tenuta all’aria.
Fig. 16 - Andamento dei valori R per vetri singoli di spessore 4 e 8 mm: la frequenza di coincidenza si
verifica rispettivamente intorno a 3000 e a 1500 Hz.
37
Fig. 17 - Andamento dei valori R per vetrate doppie con vetri simmetrici e asimmetrici
Fig. 18 - Isolamento acustico di una finestra singola in funzione dell’isolamento acustico del vetro
(C = correzione con spettro di rumore rosa; Ctr = correzione con spettro di rumore da traffico)
Recentemente il GdL UNI di Acustica ha messo a punto una bozza di Linee Guida per il
calcolo e la verifica di progetto dei requisiti acustici dei componenti[10], nelle quali è riportato un prospetto delle prestazioni acustiche dei serramenti per diverse tipologie.
Nel prospetto suddetto, note le caratteristiche del vetrocamera montato sul serramento o
noto il suo potere fonoisolante misurato sperimentalmente, dalla posizione delle guarnizioni è possibile ricavare il valore medio del potere fonoisolante del serramento. Dal valore
Rw del serramento, mediante dei fattori correttivi, è poi possibile calcolare il valore di progetto Rwfinestra da utilizzare nei calcoli previsionali.
5. CONCLUSIONI
Esaminando alcuni tipici valori dei vetri aventi prestazioni acustiche superiori a 37 dB e
classe di tenuta all’aria superiori a 2, si è ottenuta la Tabella XIII, nella quale si conferma
che il soddisfacimento del suddetto requisito comporta anche prestazioni termiche migliori rispetto ai 3÷3,5 W/m²K dei doppi vetri comuni. Ovviamente i valori della trasmittanza
possono essere ulteriormente ridotti utilizzando vetri bassoemissivi o gas diversi dall’aria.
Si osserva, tuttavia, che la trasmissione luminosa dei vetri acustici è ridotta rispetto ai doppi
vetri comuni, normalmente superiore all’80%, con valori particolarmente bassi per i vetri
38
trattati; di tale aspetto occorre tener conto nella valutazione del fattore medio di luce
diurna al fine di non trovarsi in situazioni critiche, penalizzanti anche dal punto di vista energetico[11].
Tab. XIII - Prestazioni acustiche e termiche di alcuni tipi di serramenti
Trasmissione Trasmittanza Ug
Correzione
Rw
Rw
luminosa
W/m²K
vetro prEN 14351 serramento
%
dB
dB
(dB)
6-12-33.1
37
37
79
2,8
6-12-44.1
38
38
78
2,8
8-12-44.1
40
-1
39
77
2,8
10-12-44.1
41
-1
40
76
2,8
6-16a-44.1e
41
-1
40
66
1,5
10-12-44.2
42
-1
41
76
2,8
44.2-12-64.2
43
-2
41
76
2,8
10-16-88.2
45
-3
42
72
2,6
44.2-20-64.2
47
-3
44
76
2,7
* il primo numero indica lo spessore del vetro esterno, il secondo lo spessore
dell’intercapedine, il terzo lo spessore del vetro stratificato e dello strato elastico, a = argon, e= vetro basso emissivo
Tipo di vetro*
(spessore in mm)
Riferimenti bibliografici
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