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Ponti termici e condensa: come fare le giuste verifiche dei nodi parete-balcone, parete-infissi e parete-solaio contro terra

La presenza di un ponte termico causa non solo maggiori dispersioni energetiche, ma anche un maggior rischio di formazione di condensa e muffe. La modellazione numerica aiuta il progettista anche in tal senso: vediamo insieme come modellare correttamente il nodo.

Ponte termico

Quando si parla di ponti termici si pensa subito al problema delle dispersioni energetiche. È però di fondamentale importanza ricordarsi che possono avere grande influenza sulla formazione di condensa e muffe, a causa delle minori temperature superficiali. Anche la valutazione del fenomeno della condensa può essere effettuata tramite metodi di simulazione numerici, ma i parametri di ingresso si differenziano un po’ rispetto alla valutazione delle prestazioni termiche. Vediamo insieme come modellarli correttamente.

Zona localizzata dell'involucro edilizio avente proprietà di resistenza termica minori rispetto alla restante porzione priva di ponte termico. In questa zona, avendo minor resistenza termica, si concentrano le dispersioni del flusso termico che si genera tra ambiente interno ed esterno. Le cause sono in genere collegabili a: disomogeneità geometrica dell’involucro edilizio (nodi parete - solaio, parete - pilastro, parete - serramento…); variazione dello spessore dell’involucro (cavedi, vani tecnici, canne fumarie…); disomogeneità materica. Le tipologie possono invece essere:

-Lineare, con sviluppo di una certa lunghezza, ed esprimibile tramite la trasmittanza termica lineica (ψ [W/m∙K]), ovvero il flusso termico in regime stazionario rispetto alla lunghezza e alla differenza di temperatura tra gli ambienti posti in ogni lato del ponte termico (travi, sviluppo verticale di pilastri, davanzali, solai…);

-Puntuale, con sviluppo concentrato in un vertice della struttura, e definito dalla trasmittanza termica puntuale (χ [W/K]), ovvero il flusso termico in regime stazionario rispetto alla differenza di temperatura tra gli ambienti posti in ogni lato del ponte termico (attacco a pavimento di pilastri chiodi cappotto termico…). In genere tale contributo è trascurabile per la valutazione delle dispersioni di un componente.

Tra le diverse conseguenze negative legate alla presenza dei ponti termici in un edificio, oltre a quelle relative a un maggior consumo energetico e peggiori condizioni di comfort globale non bisogna mai trascurare quelle sulle condizioni igienico sanitarie dell’ambiente interno.

Infatti, se la temperatura esterna è molto più bassa di quella interna e internamente di ha una produzione di vapore relativamente elevata, la temperatura superficiale interna in corrispondenza del ponte termico può generare formazione di condensa superficiale e interstiziale, di macchie d’umidità e/o muffe con possibile distacco dell’intonaco e/o fenomeni di termoforesi.

Termoforesi

Chiamato anche termodiffusione o effetto Ludwig-Soret, fenomeno che consiste nella migrazione di particelle, immerse in un fluido, indotta da un gradiente di temperatura. A seconda della temperatura superficiale, i moti convettivi e la velocità di evaporazione dell’umidità sono diversi, generando macchie superficiali sul componente di involucro interessato. La termoforesi può avvenire sia all’interno che all’esterno dell’edificio, con risultati inversi: all’esterno il processo porta ad annerire le zone con minore dispersione termica mentre all’interno saranno annerite quelle con maggiore dispersione termica.

Inoltre, la presenza di condensa interstiziale causa un peggioramento delle prestazioni termiche dei materiali costituenti l’involucro edilizio (la conducibilità termica aumenta), e ciò genera un ulteriore aumento delle dispersioni termiche (e quindi del consumo energetico e del discomfort).

L’importanza dell’assenza di condensa è rimarcata anche all’interno del Decreto Requisiti Minimi - DM 26.06.2015.

A seguito della sua entrata in vigore, gli interventi edilizi sono stati classificati in maniera univoca in funzione della tipologia di intervento e della percentuale di involucro coinvolta (se intervento di riqualificazione energetica), e per ogni tipologia di intervento sono stati definiti alcuni requisiti minimi, sia prescrittivi che prestazionali, che il progettista è tenuto a rispettare.

In particolare, la verifica di assenza condensa superficiale, interstiziale e formazione muffe è richiesta per:

  • Edifici di nuova costruzione;
  • Ristrutturazione importante di primo livello, ovvero intervento che riguarda sia una porzione di superficie lorda disperdente dell’edificio maggiore del 50%, sia la ristrutturazione dell’impianto termico (per climatizzazione invernale e/o estiva);
  • Ristrutturazione importante di secondo livello, ovvero intervento che riguarda una porzione di superficie lorda disperdente tra il 25 e il 50% e può o meno interessare anche l’impianto termico (per climatizzazione invernale e/o estiva);
  • Riqualificazione energetica, ovvero intervento che riguarda una porzione di superficie lorda disperdente minore del 25% e/o prevedono la ristrutturazione dell’impianto termico (per climatizzazione invernale e/o estiva).

I riferimenti normativi

Sul tema dei ponti termici, la principale norma di riferimento è la UNI EN ISO 10211:2018 “Ponti termici in edilizia - Flussi termici e temperature superficiali - Calcoli dettagliati.

La norma contiene le specifiche dei modelli geometrici tridimensionali e bidimensionali di un ponte termico, ai fini del calcolo numerico di:

  • Flussi termici, ai fini di determinare le dispersioni termiche totali di un edificio o di una sua parte;
  • Temperature minime superficiali, ai fini di valutare il rischio di condensazione superficiale.

In particolare, include le dimensioni minime del modello geometrico e le sue suddivisioni, le condizioni termiche al contorno e i valori termici associati da utilizzare a seconda dei fii del calcolo (flussi termici o temperature superficiali). La norma può quindi essere utilizzata per ricavare sia i valori della trasmittanza termica lineare e puntuale che i fattori di temperatura superficiale richiesti per la verifica della condensa superficiale.

Ponti termici e condensa superficiale

Come precedentemente scritto, le temperature superficiali interne che si registrano in corrispondenza di ponti termici, se eccessivamente basse, possono portare alla condensazione superficiale o crescita di muffe. Fenomeni che hanno conseguenze negative sulla conservazione dei materiali edilizi, sulla qualità dell’aria interna e sulla salute degli occupanti.

Per evitare la formazione di condensa superficiale è necessario che la temperatura della superficie interna (tsi) sia maggiore della temperatura di rugiada dell’ambiente (tr):

Il problema delle muffe

La crescita di muffe può avvenire anche in assenza di condensazione, quando l’umidità relativa della superficie interna è vicina al 100%.

Al fine di evitare questo fenomeno, la norma di riferimento (UNI EN ISO 13788:2013 “Prestazione igrotermica dei componenti e degli elementi per edilizia - Temperatura superficiale interna per evitare l'umidità superficiale critica e la condensazione interstiziale - Metodi di calcolo”) stabilisce che l’umidità relativa media mensile in corrispondenza delle superfici non debba essere maggiore dell’80%.

Tra i parametri che influenzano la formazione di condensa e muffe troviamo:

  • condizioni climatiche esterne - temperatura e umidità relativa;
  • condizioni climatiche interne - temperatura e umidità relativa;
  • qualità termica degli elementi dell’involucro edilizio, rappresentata dell’insieme di resistenza termica, presenza di ponti termici, geometria e resistenza superficiale interna.

La qualità termica può essere espressa tramite il fattore di temperatura sulla superficie interna (fRsi [-]), pari a:

con:

  • tsi = Temperatura superficiale interna [°C];
  • te = Temperatura dell’aria esterna [°C];
  • ti = Temperatura dell’aria interna [°C];
  • il pedice Rsi sta ad indicare che il calcolo è stato effettuato con una determinata resistenza termica superficiale Rsi in corrispondenza della superficie interna.

Il valore di fRsi è adimensionale e varia da 1 a 0:

fRsi = 1 - La temperatura superficiale nel ponte termico è identica a quella dell’ambiente interno (sarebbe il risultato migliore, ma non è ottenibile, perché significherebbe che il ponte termico avrebbe un effetto nullo);
fRsi = 0 - La temperatura in corrispondenza del ponte termico è identica a quella esterna (risultato peggiore, ma altrettanto impossibile, perché significherebbe che il quel punto gli elementi costruttivi avrebbero resistenza termica nulla).

Sebbene sia impossibile avere un valore fRsi =1 in corrispondenza di un ponte termico, l’obiettivo è comunque quello di ottenere un valore il più alto possibile.

Il punto di interesse su cui fare il calcolo di fRsi è normalmente quello con la temperatura superficiale interna più bassa (in base alle condizioni al contorno considerate).

Il calcolo del fattore di temperatura

In corrispondenza di ponti termici, caratterizzati da flusso termico multidimensionale, il calcolo di fRsi può essere anch’esso effettuato tramite software di modellazione FEM (secondo quanto previsto dalla norma UNI EN ISO 10211:2018).

In particolare, la norma definisce determinati valori di Rsi da utilizzare appositamente per la verifica della condensa e della formazione di muffe: sulle superfici opache, si assume un valore di Rsi pari a 0,25 m2K/W (per considerare anche l’effetto di angoli, mobili, tende o soffitti sospesi), mentre su porte e finestre i valori di Rsi devono essere stabiliti secondo quanto riportato nelle norme di riferimento, la UNI EN ISO 10077-1:2018 “Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 1: Generalità”, la UNI EN ISO 10077-2:2018 “Prestazione termica di finestre, porte e chiusure oscuranti - Calcolo della trasmittanza termica - Parte 2: Metodo numerico per i telai” e la UNI EN ISO 6946:2018 “Componenti ed elementi per edilizia - Resistenza termica e trasmittanza termica - Metodi di calcolo”.

Nel caso invece di valutazioni “centro-parete”, quindi in assenza di ponti termici e con flusso termico monodimensionale, il calcolo di fRsi si riduce a:

Con U = Trasmittanza termica della parete [W/(m2K)].

Progettazione per evitare la crescita di muffe

I passi principali della progettazione sono rappresentati dal calcolo dell'umidità relativa dell'aria interna (φi [%]), e quindi dal calcolo del valore accettabile della pressione del vapore di saturazione (Psat,i [Pa]) sulla superficie, in funzione dell'umidità relativa superficiale limite richiesta (φlim [%]). Da questo valore si determina la temperatura minima superficiale e quindi la "qualità termica" richiesta dell'involucro edilizio (espressa come fRsi per una data temperatura dell'aria interna).

Per ciascuno dei mesi dell'anno occorre eseguire i seguenti passi:

  1. Definire la temperatura esterna te (valori medi mensili);
  2. Definire l'umidità esterna φe (valori medi mensili);
  3. Definire la temperatura interna in conformità alle indicazioni nazionali (ti = 20 °C);
  4. Definire l'umidità relativa interna φi e la pressione interna pi secondo la procedura definita nella UNI EN ISO 13788:2013 (calcolata a partire dalla pressione esterna e dalla differenza di pressione interno-esterno, o assunta pari a un valore medio mensile se noto, o pari a un valore costante se l’umidità relativa è controllata da un impianto);
  5. Calcolare il valore minimo accettabile della pressione di saturazione (psat,min [Pa]) stabilito un valore massimo accettabile di umidità relativa in corrispondenza della superficie φ=φlim;

Determinare la temperatura superficiale (di saturazione) minima accettabile (tsi,min [°C]) a partire dalla pressione di saturazione minima accettabile calcolata in e); tsi,min può essere definito tramite valori tabellari che la legano la temperatura di saturazione al valore della pressione di saturazione, o attraverso le seguenti equazioni:

Calcolare il fattore di temperatura minimo richiesto fRsi,min

Individuare il mese critico, ovvero il mese con il più alto valore richiesto di fRsi,min: il fattore di temperatura per questo mese viene indicato con fRsi,max e il componente edilizio deve essere progettato in modo tale da avere un fattore fRsi sempre maggiore di fRsi,max

Come precedente enunciato, per evitare la crescita di muffe, l'umidità relativa media mensile in corrispondenza delle superfici non dovrebbe essere maggiore dell'umidità relativa critica φlim che dovrebbe essere assunta pari all’80%, in assenza di informazioni più specifiche da regolamenti nazionali o altro. In alcuni casi specifici si possono utilizzare criteri differenti (ad esempio φlim=60% per evitare fenomeni di corrosione).

Parametri di ingresso per l’analisi FEM dei ponti termici

La valutazione termoigrometrica analitica dei ponti termici necessita di dati di ingresso specifici, sia per il calcolo della trasmittanza termica lineica che del fattore di temperatura:

  1. Proprietà geometriche del nodo in esame;
  2. Proprietà termofisiche dei materiali che lo compongono;
  3. Condizioni al contorno (temperature e resistenze superficiali).

ATTENZIONE! Quanto di seguito riassunto non riguarda i ponti termici con elementi a contatto con il terreno. Per questa tipologia di ponti termici ci sarà un capitolo apposito.

Proprietà geometriche del nodo 

Una volta individuata la porzione di involucro edilizio interessata dalla presenza di un ponte termico (scambi termici mono/bi e tridimensionali), si procede al calcolo delle temperature e del flusso termico totale che la attraversa. Il calcolo può essere svolto tramite l’utilizzo di software di simulazione numerica (Finite Element Method – FEM).

L’operatore ha quindi il compito di modellare correttamente il nodo in corrispondenza del ponte termico, in modo da includere sia una quota di scambio termico monodimensionale (tipica delle porzioni di involucro non affette da ponti termici), sia le quote di scambio termico bi ed (eventualmente) tridimensionali che avvengono in corrispondenza del ponte termico (principio di sovrapposizione degli effetti).

A tal fine, bisogna suddividere l’involucro dell’edificio nelle sue parti rispettivamente interessate da flussi termici mono, bi e tridimensionali, attraverso l’utilizzo di piani di taglio (Figura 1).

Piani di taglio

Piani costruttivi che definiscono i limiti di un modello bidimensionale o tridimensionale, separandolo dal resto dell’edificio. I piani di taglio devono essere adiabatici, ovvero il flusso termico che li attraversa è nullo.

Figura 1 – Suddivisione di un edificio attraverso piani di taglio adiabatici.
Figura 1 – Suddivisione di un edificio attraverso piani di taglio adiabatici.

In questo modo l’involucro sarà suddiviso in aree caratterizzate da:

  • Flusso termico monodimensionale (trasmittanza termica Ui);
  • Flusso termico bidimensionale (coefficiente di accoppiamento termico L2D,i-y);
  • Flusso termico tridimensionale (coefficiente di accoppiamento termico L3D,i-y,z).

Coefficiente di accoppiamento

Definito dalla norma UNI EN ISO 10211:2018 come il flusso termico scambiato in funzione della differenza tra le temperature di due ambienti termicamente interagenti, nel componente edilizio considerato.

Se i piani di taglio sono perfettamente adiabatici, si può essere certi di aver preso in considerazione l’intera distorsione del campo termico indotta dal ponte termico. In caso contrario, sei piani di taglio vengono posizionati troppo vicini al nodo, si corre il rischio “eliminare” dal modello una porzione di involucro ancora affetta dal ponte termico, con conseguenti errori nella valutazione dell’effetto di distorsione termica.

Da normativa, la posizione dei piani di taglio è definita dai seguenti criteri:

  • piano di taglio posizionato in prossimità di un piano di simmetria, se il piano di simmetria dista dal nodo meno del valore minimo di riferimento (dmin);
  • piano di taglio posizionato ad una distanza almeno pari a dmin, se non ci sono piani di simmetria più vicini;
  • la distanza minima di riferimento (dmin) è stabilita dalla seguente relazione
    d_min=max(
    1m;3∙spessore involucro laterale).
Figura 2 – Suddivisione di un edificio attraverso piani di taglio in corrispondenza di piani di simmetria.
Figura 2 – Suddivisione di un edificio attraverso piani di taglio in corrispondenza di piani di simmetria.

ATTENZIONE!
Componenti a contatto con il terreno devono essere suddivisi con piani di taglio collocati diversamente, come mostrato in seguito.


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Nel pdf si continuerà parlando di:

  • Proprietà termo-fisiche dei materiali
  • Condizioni al contorno (temperature e resistenze superficiali)
  • Ponti termici contro terra
  • Esempi di calcolo
  • Nodo parete - balcone
  • Nodo parete - infissi
  • Nodo parete - solaio contro terra

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