NELL’ECONOMIA DELL’INTERO EDIFICIO, LE PARTIZIONI VETRATE SONO GLI ELEMENTI PIÙ CRITICI PER QUANTO CONCERNE LA PROBLEMATICA DELL’ISOLAMENTO, SIA TERMICO CHE ACUSTICO. IL PROBLEMA È OVVIAMENTE TANTO MAGGIORE QUANTO PIÙ ESTESA È LA SUPERFICIE VETRATA RISPETTO ALLE PARTIZIONI OPACHE DELL’INTERO EDIFICIO. FOCALIZZANDO L’ATTENZIONE SULLE PRESTAZIONI ENERGETICHE, IL PROBLEMA DELL’ISOLAMENTO TERMICO NELLE PARTIZIONI TRASPARENTI È UNA QUESTIONE DI SORPRENDENTE ATTUALITÀ SE SI CONSIDERA DA UN LATO LA SEMPRE CRESCENTE NECESSITÀ DI OTTENERE CONSUMI DI ENERGIA RIDOTTI, DALL’ALTRA L’ESIGENZA DELLA MODERNA ARCHITETTURA CHE, SPOGLIANDO SÉ STESSA DALLA MASSA LAPIDEA DELLE ANTICHE COSTRUZIONI, VEDE NEL VETRO UN’OPPORTUNITÀ PER
RICERCARE NUOVE PROSPETTIVE FORMALI E FUNZIONALI. SONO DUE ESIGENZE APPARENTEMENTE IN ANTITESI, A CUI LA TECNOLOGIA MODERNA CERCA DI DARE UNA RISPOSTA COINVOLGENDO DA UN LATO UNA CONTINUA EVOLUZIONE DI PRODOTTO, DALL’ALTRO LA SAPIENZA E LA CREATIVITÀ DI PROGETTISTI E CONSULENTI NEL RIUSCIRE REALMENTE A SFRUTTARE LE POTENZIALITÀ DI PRODOTTI TECNICAMENTE EVOLUTI

A cura di: Ing. Ph.D. Federico Mattia Visconti

MECCANISMI DI TRASPORTO DEL CALORE ATTRAVERSO LE SUPERFICI VETRATE

Come noto, i meccanismi con cui l’energia termica può essere scambiata sono tre: conduzione, convezione e irraggiamento. Essi vengono brevemente descritti di seguito. Si ha conduzione quando il trasporto di calore avviene contestualmente all’interazione diretta tra le molecole di un mezzo, che vengono eccitate in presenza di gradienti di temperatura. Si verifica senza che vi sia movimento macroscopico di materia.
La convezione è una modalità di trasporto del calore in un fluido (sia esso un liquido che un gas) e implica gli effetti combinati di conduzione e trasporto di massa, ovvero di movimento macroscopico della materia che enfatizza, anche enormemente, lo scambio termico che si avrebbe per pura conduzione termica se il fluido fosse in perfetta quiete. L’irraggiamento, infine, è la trasmissione di energia termica sotto forma di onde elettromagnetiche emesse in conseguenza dell’agitazione atomica alla superficie di un corpo. La radiazione termica si propaga alla velocità della luce attraverso il vuoto o attraverso i gas. Dal punto di vista fenomenologico, una partizione vetrata è interessata a tutti e tre i meccanismi di scambio termico (conduzione, convezione ed irraggiamento), che copartecipano a determinarne le prestazioni
di isolamento termico.

CONDUZIONE E CONVEZIONE TERMICA NELLE SUPERFICI VETRATE

Il meccanismo di pura conduzione interessa esclusivamente le parti solide dell’intera struttura, dunque i vetri e i telai. Il meccanismo della convezione interessa invece tutte le zone fluide limitrofe a ciascun supporto solido, che comprendono sia gli ambienti separati dal vetro che le intercapedini.
In una finestra di antica concezione, caratterizzata da un solo vetro, il maggior contributo resistivo è dato dall’aria limitrofa al vetro stesso che, grazie alla sua viscosità (che ne inibisce il moto a contatto con la superficie solida) e alla sua bassa conducibilità (pari a circa 0,026 W/mK), fornisce una resistenza termica molto maggiore della resistenza offerta dal sottile strato di vetro, materiale di per sè molto conduttivo. Ad esempio, una finestra dotata di singolo vetro di 2 mm di spessore, escludendo il contributo del telaio, possiede una resistenza termica pari a circa 1,5 m2K/W, dove l’incremento di resistenza
dovuto al vetro (ipotizzando una conducibilità pari a 1,4 W/mK) è di soli 0.001 m2K/W, per cui tutto il contributo di resistenza è dovuto alla sottile regione di aria in quiete limitrofa alle due superfici del vetro. La conducibilità molto alta del vetro fa sì che se anche utilizzassimo elementi molto spessi, l’incremento di resistenza sarebbe esiguo. Con l’impiego di un vetro di 20
mm di spessore, la resistenza termica complessiva verrebbe aumentata solamente del 10%. Il valore di resistenza termica di un vetro singolo risulta essere molto basso anche solo in confronto a quello di una parete costituita da mattone forato di 18 cm e intonaco, per la quale si ha una resistenza termica pari a circa 23 m2K/W, ovvero circa 15 volte superiore il valore della parete costituita da un singolo vetro.
Se l’elevata conducibilità del materiale rende sostanzialmente inefficace aumentare lo spessore (ed essendo impossibile introdurre isolanti solidi), al fine di aumentare la resistenza termica dell’intero elemento è necessario fare utilizzo di intercapedini riempite di aria o di altri gas. Il meccanismo di funzionamento delle intercapedini sfrutta la bassissima conducibilità termica dei gas, per i quali è inibito lo svilupparsi di moti convettivi significativi, che enfatizzerebbero invece lo scambio termico all’interno dell’intercapedine. Al fine di ridurre il più possibile lo scambio termico convettivo è necessario intrappolare l’aria in cavità sufficientemente piccole da inibirne il moto, che è instaurato naturalmente in presenza di gradienti di temperatura.

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Più la cavità è piccola più il meccanismo di scambio termico nel fluido tende ad essere di natura puramente conduttiva.
Crescendo con le dimensioni della cavità, cresce la probabilità di insorgenza di moto macroscopico, con conseguente enfatizzazione dello scambio termico.
Tornando alla geometria dell’intercapedine, utilizzando uno spessore molto piccolo, da un lato si inibisce di molto lo scambio di massa, dall’altro la resistenza termica risulta essere comunque limitata a causa dell’esiguo spessore. Dall’altro lato uno spessore molto grande, favorendo lo scambio di massa, non apporta i benefici di resistenza desiderati.
Esiste dunque uno spessore di massima resistenza termica, che dipende dal fluido e dai gradienti di temperatura in gioco. Per l’aria e per gradienti di temperatura non estremi, questo valore si aggira attorno ai 15 mm.
Una strategia di isolamento molto efficace per controllare la convezione nelle intercapedini consiste nello riempire le cavità con gas diversi dall’aria, dotati di proprietà fisiche tali da diminuire (anche sensibilmente) lo scambio termico convettivo.
Questi gas possiedono innanzitutto una conducibilità termica sensibilmente inferiore a quella dell’aria (ad esempio per Kripton il valore di conducibilità è pari a quasi 1/3 quello dell’aria); inoltre, possedendo una viscosità superiore, sfavoriscono lo scambio di massa offrendo ulteriore contributo resistivo.
Un’ulteriore strategia di successo consiste nell’utilizzare più intercapedini separate, in maniera da incrementare lo spessore dello strato gassoso senza favorirne il moto, e dunque il trasporto di energia.
Nelle tecnologie più prestanti è possibile avere anche tre intercapedini indipendenti, separate sia da strati di vetro che da più leggeri film plastici.
Infine è necessario accennare al discorso dei serramenti;
essi sono elementi critici perchè facilmente rappresentano una zona preferenziale per il trasporto di energia termica tra un ambiente interno e l’esterno. La moderna tecnologia propone attualmente serramenti dotati di alte prestazioni isolanti (come i serramenti a taglio termico), che fanno uso di elementi dotati di bassa conducibilità per spezzare la continuità tra la superficie di telaio esposta all’interno e quella esposta all’esterno.

SCAMBIO TERMICO PER IRRAGGIAMENTO NELLE SUPERFICI VETRATE

La terza modalità di trasmissione del calore, l’irraggiamento, è, per i vetri, di importanza enorme, la cui possibilità
di controllo determina le potenzialità di utilizzo e quelle creative delle diverse tecnologie.
Considerando lo scambio termico per puro irraggiamento, l’energia incidente su una partizione vetrata viene ripartita in una componente riflessa, una componente assorbita e una componente trasmessa.
È importante tener presente che il fenomeno dell’irraggiamento coinvolge sia la radiazione diretta del sole, sia la radiazione diffusa dall’atmosfera e dall’ambiente, sia la radiazione infrarossa emessa dai corpi scaldanti (e più in
generale da tutti i corpi aventi temperatura diversa rispetta a quella della superficie vetrata).
Per ciascuna partizione è possibile individuare un coefficiente di riflessione, un coefficiente di assorbimento ed un coefficiente di trasmissione, che identificano rispettivamente in che percentuale l’energia incidente viene ripartita, e la cui somma è identicamente eguale ad uno. Il valore dei tre coefficienti è funzione delle caratteristiche tecnologiche della struttura vetrata.
La corretta individuazione di una tecnologia deve dipendere innanzitutto dall’esigenza prestazionale richiesta, per cui non è possibile generalizzare conclusioni, le quali devono essere tratte dall’architetto o dal consulente in relazione
alla circostanza architettonica e funzionale particolare.
Il primo discrimine tecnologico deve essere necessariamente il comfort visivo del locale che si deve illuminare; per la scelta della tecnologia più idonea, questo parametro deve essere bilanciato in funzione della fonte di energia radiativa che si desidera controllare, richiedendo soluzioni diverse a seconda che si voglia limitare la trasmissione della radiazione solare o si desideri contenere la dissipazione dell’energia dissipata per irraggiamento dai corpi scaldanti di un ambiente interno (appartenente al dominio della radiazione infrarossa).

Tornando ad un livello più tecnico, un vetro dotato di alto coefficiente di trasmissione è una superficie molto trasparente, che consente la trasmissione nell’ambiente di gran parte dell’energia incidente; essa favorisce dunque
un alto carico termico unitamente ad un’alta performance di illuminazione, ma è ovviamente caratterizzata da una bassa resistenza all’energia scambiata per irraggiamento.
È questo il caso dei vetri comunemente utilizzati nelle abitazioni civili, il cui scopo è principalmente quello di consentire adeguati livelli di illuminazione con porzioni relativamente limitate di finestrature rispetto all’estensione dell’intera muratura.
Quando le esigenze dell’architettura sono invece tali da esigere superfici vetrate di notevole estensione, che possono
anche occupare l’intera superficie di chiusura, è possibile ridurre l’energia scambiata per irraggiamento utilizzando sia superfici che riflettano un’alta percentuale dell’energia incidente, che vetri dotati di alto coefficiente di assorbimento.
I primi sono vetri dotati di bassa emissività (e conseguentemente di basso assorbimento) e alto coefficiente di
riflessione. Dal punto di vista della tecnologia, vengono trattate una o più facce della struttura vetrata (in genere il trattamento consiste in depositi di metalli e/o ossidi di metalli), al fine di limitare l’energia assorbita e/o trasmessa
per irraggiamento. Il trattamento superficiale può essere applicato a una o a entrambe le facce interne dell’intercapedine (per aumentare la resistenza termica complessiva dell’intercapedine stessa), alla superficie
interna (con lo scopo di limitare le dispersioni per irraggiamento dai corpi scaldanti verso l’esterno) o alla superficie esterna (al fine di riflettere nell’ambiente una buona percentuale della radiazione solare incidente sul vetro).
Nei primi due casi il trattamento è progettato per avere la sua massima efficienza nella regione della radiazione
infrarossa, preservando dunque una trasmissione relativamente alta della radiazione visibile. Per quanto riguarda
il trattamento sulla superficie esterna, questo è solitamente progettato per riflettere anche la radiazione visibile.
Ne risulta un vetro capace di ridurre fortemente la radiazione luminosa trasmessa, ed è dunque adatto nei casi in cui si è in presenza di superfici vetrate estese esposte alla radiazione solare diretta.
La seconda strategia consente di avere dei vetri dotati di elevato coefficiente di assorbimento, che si presentano
alla vista come superfici scure, spesso caratterizzate da dominanti cromatiche allo scopo di ottenere un effetto selettivo nell’assorbimento di determinate frequenze dello spettro della radiazione elettromagnetica.
La radiazione elettromagnetica è dunque assorbita dal vetro e una parte di essa viene riemessa nell’ambiente
esterno a causa della maggiore temperatura del vetro rispetto a quella dell’aria esterna.
Una recente tecnologia consente inoltre di avere vetri che cambiano il loro coefficiente di trasmissione in funzione
della radiazione incidente. Per azione degli alogenuri di argento in essi contenuti, questi vetri assumono
colorazione grigia quando sono esposti alla luce solare.
Questi vetri sono comunemente menzionati come fotocromatici e cominciano a fare la loro comparsa anche in campo edile. È facile comprendere come una partizione vetrata evoluta possa utilizzare contemporaneamente vetri dotati di caratteristiche diverse, allo scopo di ottimizzare le prestazioni energetiche in riferimento ad un’esigenza funzionale specifica.

Nato a Monza nel 1979, si laurea in Ingegneria Edile presso il Politecnico di Milano con una tesi sull’acustica della chiesa di San Marco in Milano. Consegue un dottorato di ricerca in Ingegneria Energetica, ottenendo la lode, durante il quale ha modo di approfondire le tematiche della termo-fluidodinamica e dell’acustica; il suo percorso di ricerca culmina nello sviluppo di una tesi nel campo dell’aeroacustica computazionale. Attualmente è “senior engineer” presso la società Whirlpool, all’interno della quale si occupa di ricerca e sviluppo nel campo della termo-fluidodinamica. È contestualmente professore incaricato di Fisica Tecnica per i corsi di laurea in Ingegneria Civile ed Ambientale presso il Politecnico di Milano.

CONCLUSIONI
Già da questa breve analisi è possibile farsi un’idea della complessità dei fattori fisici in gioco, che interagendo tra
loro determinano il comportamento di una chiusura trasparente.
Complessità che la moderna tecnologia è in grado di affrontare ma che deve tenere in considerazione le esigenze specifiche di ciascuna singola situazione progettuale. L’esigenza primaria deve essere necessariamente la corretta illuminazione degli ambienti interni; in secondo luogo è necessario valutare le condizioni climatiche del sito di progetto e l’esposizione di ogni singola partizione vetrata. Solo dopo l’attenta analisi di queste condizioni da parte dei progettisti sarà possibile soddisfare le sempre più alte richieste prestazionali.