L’APPROFONDIMENTO: PRESTAZIONI TERMICHE DEI MATERIALI

Il problema dell’isolamento termico riveste nella società contemporanea un ruolo sempre più consistente,
principalmente a fronte della necessità di dissipare meno energia e risparmiare conseguentemente risorse e denaro.
È un tema talmente fondamentale che molteplici settori industriali investono consistenti sforzi allo scopo di dissipare il meno possibile, anche al fine di proporre ad un pubblico di vasta scala soluzioni a basso impatto energetico. È il caso dell’industria della refrigerazione dove, proprio come in un edificio, l’ottimizzazione dell’isolamento termico porta a benefici sensibili per l’utenza.
L’attualità di questo tema è ben evidente sia perché considerato dalle vigenti leggi nazionali ed europee in tema di risparmio energetico, sia perché di interesse da parte di un’utenza sempre più sensibile. Un’utenza che in molti settori può avere prima dell’acquisto un preciso riscontro sulla qualità energetica di un prodotto grazie alla dichiarazione di una “classe energetica”, già obbligatoria in diversi settori industriali (quali ad esempio quello degli elettrodomestici), e di imminente attualità anche per l’industria delle costruzioni.
Partendo dall’analisi delle principali modalità di trasmissione dell’energia termica, si intende investigare quali siano le principali strategie di isolamento termico, enfatizzando il ruolo delle diverse tecnologie utilizzate odiernamente in edilizia.

CENNO SULLE MODALITÀ DI TRASMISSIONE DELL’ENERGIA TERMICA
Ai fini di una maggiore chiarezza espositiva, si ricorda che dal punto di vista fisico lo scambio di calore può avvenire secondo tre modalità:
- per conduzione attraverso la materia solida;
- per convezione in un mezzo fluido;
- per irraggiamento.
Tutte e tre le modalità di propagazione dell’energia sono concomitanti nella determinazione della trasmittanza di una partizione ed il peso di ciascuna modalità dipende dalla specifica tecnologia costruttiva.
Si parla di trasmissione del calore per conduzione quando l’energia termica viene trasmessa in un mezzo esclusivamente a causa del trasferimento di energia fornito dall’agitazione delle molecole costituenti il materiale. È il caso di ciò che avviene in un materiale solido, quale l’argilla costituente un mattone pieno.
Si parla invece di convezione (in un fluido) quando lo scambio termico per conduzione (relativo al moto a livello molecolare) è agevolato dal movimento macroscopico della massa fluida; il fenomeno di scambio termico per convezione è dunque funzione sia dello scambio per conduzione che dei fenomeni di trasporto di massa. È quanto avviene per esempio in un’intercapedine d’aria, dove il moto del fluido all’interno (promosso dal gradiente di temperatura insistente nell’aria stessa) determina la prestazione di isolamento.
L’irraggiamento, infine, contempla la trasmissione di energia per mezzo di onde elettromagnetiche e non richiede la presenza di alcun mezzo materiale tra i due corpi radianti. È questo un fenomeno che interessa, ad esempio, le due facce di un’intercapedine, dove la superficie più calda trasmette calore per irraggiamento alla superficie più fredda.

PROPRIETÀ DI ISOLAMENTO TERMICO DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE
Dal punto di vista dell’isolamento termico, in edilizia è possibile affermare con una certa esattezza che la strategia delle moderne tecnologie di coibentazione si basa fondamentalmente sul controllo dei fenomeni di trasporto del calore per convezione nel fluido aria.
Il problema dell’isolamento è a tutti gli effetti un problema di fluidodinamica.
La ragione sta nel fatto che l’aria è potenzialmente uno dei migliori isolanti termici disponibile in natura, e sicuramente
il più semplice ed economico da reperire.
Essa possiede un coefficiente conduttivo pari a circa 0,025 W/mK (considerando la temperatura dell’aria pari a 20°C), molto inferiore rispetto a quello di un materiale tradizionale da costruzione, quale il mattone pieno, per il quale è ragionevole assumere a riferimento un valore di 0,85 W/mK.
Il grande problema nell’utilizzare l’aria come elemento coibente consiste nel fatto che il suo moto ne riduce drasticamente le proprietà isolanti.
La bassa viscosità di questo fluido ne favorisce il movimento, dunque il trasporto di massa, in misura tale che la trasmissione dell’energia termica può risultare notevolmente enfatizzata. Inoltre i meccanismi di scambio termico per irraggiamento tra superfici possono favorire anche significativamente la trasmissione dell’energia riducendo la resistenza termica dell’aria confinata. Per meglio investigare i fenomeni di scambio termico nel fluido aria è utile fare riferimento per semplicità alle intercapedini (riempite di sola aria), interessate dai fenomeni di scambio termico per convezione dell’aria e per irraggiamento tra le superfici interne.
L’intercapedine che si prende a riferimento è costituita da un volume d’aria confinato in una cavità (delimitata da un contorno solido) a forma di parallelepipedo, avente una dimensione molto inferiore alle altre due. Sulla faccia sinistra e su quella destra si hanno due temperature differenti.
Questa differenza di temperatura si traduce in una differenza di densità dell’aria, essendo l’aria più rarefatta in corrispondenza della maggiore temperatura e più densa in corrispondenza della temperatura inferiore. Il gradiente di densità così stabilitosi porta l’aria a muoversi di moto rotatorio all’interno dell’intercapedine.
Le forze cosiddette di galleggiamento sono quindi parzialmente contrastate dalle forze indotte dalla viscosità del fluido. La resistenza termica fornita dall’intercapedine per sola convezione è dunque inversamente proporzionale alla differenza di temperatura tra le facce dell’intercapedine ed alla loro distanza mentre è direttamente proporzionale
alla viscosità del fluido.

Nelle immagini: L’ACCUMULO DI ENERGIA TERMICA IN UN EDIFICIO PUÒ ESSERE RIDOTTO GRAZIE ALL’IMPIEGO DI INTERCAPEDINI VENTILATE.

IN ALTO: RAPPRESENTAZIONE GRAFICA DEI CAPPOTTI. ERACLIT. I CAPPOTTI ESTERNI, INSIEME ALLE FACCIATE VENTILATE, SONO LA SOLUZIONE MIGLIORE PER L’ISOLAMENTO TERMICO DEGLI EDIFICI POICHÈ EVITANO IL PROBLEMA DEI PONTI TERMICI E CONSENTONO IL MIGLIOR SFRUTTAMENTO DELL’INERZIA TERMICA DELLE MURATURE.

Lo scambio termico per irraggiamento tra le superfici interne, come già esposto, tende a diminuire ulteriormente
la resistenza termica offerta dall’intercapedine, ma questo è un punto sul quale si decide di non soffermarsi ulteriormente in questa sede.
Se si vuole dunque isolare una parete utilizzando una sola intercapedine d’aria (è il caso di molteplici tecnologie murarie tradizionali o delle intercapedini utilizzate nei serramenti a doppio vetro), è bene che la distanza tra le pareti più estese sia sufficientemente elevata da favorire un adeguato spessore resistente, ma sufficientemente piccola da contenere i fenomeni di trasporto di massa. Per un’intercapedine riempita di sola aria, confinata da superfici opache, uno spessore di 3÷4 cm è tale da fornire la massima resistenza termica. Una distanza tra le pareti inferiore ridurrebbe lo scambio termico per convezione, ma nel contempo la resistenza termica complessiva risulterebbe essere esigua a causa del piccolo spessore; una distanza superiore fornirebbe all’aria eccessiva libertà di movimento, in tal modo favorendo lo scambio termico per conduzione e diminuendo conseguentemente la resistenza.
Prendendo a riferimento quanto sopra esposto e tornando ai materiali da costruzione opachi, una buona tecnologia di isolamento deve essere in grado di intrappolare l’aria in maniera da ridurre al minimo i fenomeni di trasporto di massa, massimizzandone così la resistenza termica.
Un modo per inibire il trasporto di massa è quello di confinare l’aria in piccole cavità tra di loro indipendenti.
È questa la strategia utilizzata negli isolanti in polistirene espanso. La conduttività complessiva in questo caso si discosta dal valore teorico di conduttività minima (quello dell’aria di 0,025 W/mK) a causa dello scheletro polimerico, il quale da solo possiede una conduttività superiore a quella dell’aria, che insieme ai fenomeni di irraggiamento porta complessivamente il pannello a possedere una conduttività media più alta (ad esempio pari a 0,040 W/mK per un polistirene a bassa densità). Una seconda strategia, anch’essa largamente utilizzata, consiste nell’inibire il moto dell’aria sfruttando la sua (pur bassa) viscosità, riempiendo il volume interessato con materiale fibroso.

Le forze di attrito generate a contatto con le numerosissime fibre contrastano il moto dell’aria, che risulta in tal modo ferma, pur non essendo confinata in piccole celle. Numerose tecnologie, dalle più moderne alle più antiche, sfruttano questo semplice ma efficacissimo principio fisico.
È il caso delle lane di vetro e delle lane minerali, comunemente utilizzate nelle intercapedini di molte realizzazioni moderne.
È il caso di tecniche antiche di isolamento, basate sull’utilizzo di materiali fibrosi vegetali, o ancora di materiali tradizionali rivisitati alla luce delle più moderne esigenze progettuali, quali ad esempio la lana di pecora. Le prestazioni di isolamento di questi materiali sono molto vicine a quelle di un polistirene espanso. Oltre alle tecnologie di coibentazione sopra citate esistono serie molteplici di prodotti, nati per finalità differenti, che beneficiano della caratteristica di alta porosità per ridurre gli scambi termici.
È il caso dei laterizi a bassa densità, come i laterizi porizzati (es. Poroton) o del calcestruzzo cellulare.
La finalità prima di questi materiali è quella statica; tuttavia la caratteristica porosità della materia di costituzione consente di ottenere migliori prestazioni a livello di isolamento termico.
Un tipico laterizio porizzato ha conduttività media che si aggira attorno a 0,20 W/mK (circa la metà rispetto a quella tipica di un mattone forato tradizionale, e circa 1/4 rispetto al mattone pieno), mentre quella del calcestruzzo alveolato può scendere a 0,15 W/mK.

CONCLUSIONI
Anche solo da questa breve analisi, condotta su alcuni diffusi materiali di coibentazione, risulta evidente come la tecnologia moderna sia in grado di fornire una varietà notevole di prodotti, spesso caratterizzati da costi contenuti, in grado di soddisfare utenze anche molto esigenti. La sfida che per ciascun progetto ci si dovrebbe porre consiste nel saper valutare adeguatamente le potenzialità e le criticità dei vari materiali isolanti, che se non utilizzati coscientemente risulterebbero inutili se non dannosi per l’insorgenza di fenomeni indesiderati, quale la formazione
di umidità nella muratura a causa dell’elevato gradiente termico all’interno dello strato isolante. Inoltre gli isolanti termici sono generalmente in grado di assorbire facilmente una buona percentuale dell’energia acustica incidente. Per questi motivi è necessario che l’utilizzo di una determinata tecnologia, per risultare realmente vincente, sia studiata in sinergia con l’intero pacchetto murario. In questa ottica le moderne tecnologie della prefabbricazione possono spingere le potenzialità dei materiali isolanti ad un livello tale da permettere, anche grazie ad essi, l’ottimizzazione
delle varie prestazioni dell’involucro.

Conduttività termica di alcuni materiali comunemente utilizzati in edilizia - Parzialmente tratto da F.M. Butera, Architettura e Ambiente, Etas Libri, 1995