Ponti termici

Lo studio offre un servizio di consulenza sia per la valutazione dei ponti termici mediante calcolo agli elementi finiti sia per la scelta delle soluzioni costruttive più efficaci a raggiungere determinati requisiti prestazionali atti agarantire condizioni di comfort e salubrità degli ambienti interni.

 

I ponti termici sono tutte quelle zone dell’involucro edilizio dove si verifica un salto termico particolarmente elevato per effetto della diminuzione della temperatura superficiale: il maggior valore del gradiente di temperatura provoca in tali zone una riduzione della resistenza termica con conseguente aumento delle dispersioni energetiche. I ponti termici si rilevano in corrispondenza di nodi strutturali e tecnologici, per la compenetrazione di materiali da costruzione aventi differenti conduttività termiche o in presenza di discontinuità degli elementi costruttivi e per ragioni di forma geometrica (angoli, spigoli).

 

La presenza di ponti termici provoca un aumento del flusso termico attraverso la struttura e una diminuzione della temperatura superficiale interna in corrispondenza della discontinuità con conseguente rischio di formazione di condensa. A causa delle disomogeneità e la presenza di discontinuità (geometriche, di materiale) dell’involucro edilizio viene meno l’ipotesi di considerare il scambio termico monodimensionale attraverso una struttura piana infatti la direzione del flusso termico non risulta più ortogonale rispetto alle superfici e le linee isoterme non sono più parallele alle superfici stesse come si evince dagli esempi riportati.
Esempi di ponte termico sono:

• angolo tra due pareti esterno (ponte termico geometrico)
• pilastro in c.a. inserito in una parete di tamponamento (ponte termico strutturale)
• nodo muro di tamponamento e pavimento
• nodo muro di tamponamento e tetto
• nodo muro di tamponamento e terrazza
• nodo parete di tamponamento e serramenti (davanzali, mazzette, velette,...)
• nicchia dei radiatori

 

La presenza di principali ponti termici provoca i seguenti effetti:

• modifica del flusso termico e aumento delle dispersioni energetiche fino al 20% delle dispersioni globali attraverso l’involucro edilizio
• modifica della temperatura interna superficiale con conseguenti problematiche legate alla formazione di condensa superficiale
• l’elevata umidità relativa e la bassa temperatura rappresentano le condizioni ideali per la formazione delle muffe
• degrado strutturale: le variazioni periodiche della temperatura superficiale causano stati tensionali interni tali da provocare lesioni o crepe dei materiali
• discomfort abitativo: la diminuzione della temperatura superficiale interna in corrispondenza delle zone interessate da ponte termico provoca una sensazione di disagio in prossimità di tali superfici.

 

Dal punto di vista fisico i ponti termici possono essere classificati in:

• ponti termici lineari che hanno una sezione trasversale uniforme in una direzione e contraddistinti da un flusso termico monodimensionale
• ponti termici puntuali che non presentano sezioni trasversali uniformi in nessuna direzione e sono caratterizzati da un flusso termico tridimensionale

 

Esempio di ponte termico sul nodo parete-serramento e grafico dell'andamento delle temperature ricavato da simulazione agli elementi finiti (ponte termico corretto)

 

Tipologie più comuni di ponti termici

Il calcolo dei flussi termici e delle temperature superficiali di strutture edilizie con ponte termico può essere effettuato:

1. secondo metodi semplificati secondo la norma UNI EN ISO 14683:2008 che prevede un atlante di ponti termici che forniscono un numero di valori tabulati della trasmittanza termica lineica valutata con riferimento a tre differenti possibili posizioni dello strato isolante
2. utilizzando metodi numerici di calcolo dettagliati in accordo UNI EN ISO 10211:2008

 

L’accuratezza del metodo scelto per il calcolo dei ponti termici prevede:

• calcoli numerici (incertezza prevista ± 5%)
• atlante dei ponti termici (incertezza prevista ± 20%)
• calcoli manuali (incertezza prevista ± 20%)
• valori di progetto (incertezza prevista da 0% a +50%)

In particolare l’utilizzo di valori standard desunti da metodi semplificati implicano molto spesso notevoli approssimazioni di Ψ calcolati dovute essenzialmente alla difficoltà di rappresentare attraverso abachi semplificati il vasto scenario delle tipologie costruttive edilizie presenti nella realtà e che forniscono nella maggior parte dei casi una sovrastima (significativa nelle strutture ben isolate) delle dispersioni di energia termica.
I recenti aggiornamenti della UNI TS 11300 parte 1 - 2 e UNI/TR 11552, hanno cancellato nel calcolo dei ponti termici l'utilizzo della maggiorazione % semplificata e l’utilizzo dell’abaco della norma UNI EN 14683. Dallo scorso ottobre 2014 la valutazione dei ponti termici deve essere eseguita attraverso il calcolo dei coefficienti lineici ψ mediante calcolo agli elementi finiti o con atlanti dei ponti termici realizzati in accordo con la UNI EN ISO 14683.

 

Ponti termici secondo la UNI EN ISO 10211

La norma definisce le specifiche dei modelli geometrici tridimensionali e bidimensionali di un ponte termico per:

• il calcolo numerico dei flussi termici, ai fini del calcolo delle dispersioni termiche totali di un edificio o di una parte di questo
• il calcolo delle temperature minime superficiali per valutare il rischio di condensazione superficiale.

Oltre al calcolo dei valori della trasmittanza termica lineare e puntuale ed i fattori di temperatura superficiale, la norma definisce i limiti geometrici del modello e le regole da adottare per la sua suddivisione, le condizioni termiche al contorno, i valori termici e le relazioni da utilizzare.

 

 

Il ponte termico deve essere delimitato da piani di taglio posizionati:

• in corrispondenza di un piano di simmetria, se questo dista meno di d_min dall’elemento centrale
• ad almeno d_min dall’elemento centrale se non ci sono piani di simmetria più vicini
• d_min è il valore maggiore tra 1 m e tre volte lo spessore dell’elemento laterale considerato
• nel terreno secondo un determinato schema

 

Aspetti energetici ponti termici

Il totale delle perdite per trasmissione degli elementi che costituiscono l’involucro edilizio è calcolato come segue:

Q_T = Σ ( U*S + ψ*l + Χ )*f_t * G_t (kWh/a)

 

I parametri che descrivono l’influenza del ponte termico sul flusso termico totale sono:

• la trasmittanza termica lineare ψ (espresso in W/mK) se si tratta di ponte termico lineare
• la trasmittanza termica puntuale Χ (W/K) nel caso di ponte termico puntuale

 

Con riferimento ad un modello bidimensionale la UNI EN ISO 10211 ci dice che il flusso di calore riferito alla lunghezza in metri del ponte termico lineare tra un ambiente interno e un ambiente esterno è dato da:

Φ = L_2D * (θ_i – θ_e) [W/m]

dove:
L_2D = coefficiente di accoppiamento termico ottenuto con un calcolo 2D del componente edilizio che separa i due ambienti considerati (W/mK)
θ_i = temperatura interna
θ_e = temperatura esterna

 

la trasmittanza termica considerata del ponte termico lineare ψ è calcolata come segue:

ψ = L_2D – Σ ( U*l ) [W/m K]

dove:
L_2D = coefficiente di accoppiamento termico ottenuto con un calcolo 2D del componente edilizio che separa i due ambienti considerati (espressa in W/mK)
U = tasmittanza termica del componente che separa i due ambienti (W/m²K)
l = lunghezza a cui si applica il valore U (m)

 

con riferimento ad un modello tridimensionale la UNI EN ISO 10211 ci dice che il flusso di calore riferito alla lunghezza in metri del ponte termico lineare tra un ambiente interno e un ambiente esterno è dato da:

In maniera analoga a quanto sopra esposto, in modello tridimensionale il flusso di calore totale del ponte termico puntuale tra un ambiente interno e un ambiente esterno è dato da:

Φ = L_3D *(θ_i – θ_e) [W/m]

e conseguentemente la trasmittanza termica Χ del ponte termico puntuale è calcolata come:

Χ = L_3D – Σ (U*S)- Σ (ψ *l ) [W/K]

dove:
L_3D = coefficiente di accoppiamento termico ottenuto con un calcolo 3D del componente edilizio 3D che separa i due ambienti considerati (espressa in W/K)
Ψ = trasmittanza termica lineare (W/mK)
U = tasmittanza termica del componente che separa i due ambienti (W/m²K)
l = lunghezza a cui si applica il valore ψ (m)

 

Per il calcolo di Ψ e Χ è necessario specificare le dimensioni utilizzate, interne o esterne.

 

Aspetto termoigrometrico

Per valutare il rischio di condensazione superficiale per effetto di un ponte termico occorre determinare e verificare le temperature minime superficiali che possono essere espresse attraverso il fattore di temperatura f_Rsi così calcolato:

f_Rsi = (θ_si – θ_e) / (θ_i – θ_e)

dove:
θ_si = è la temperatura superficiale interna
θ_i = è la temperatura interna
θ_e = è la temperatura esterna

 

Il fattore di temperatura f_Rsi descrive l’incidenza del ponte termico a ridurre la temperatura superficiale interna. Più il valore si avvicina a 1 minore sarà l’abbassamento della temperatura superficiale interna. Nella stagione invernale al fine di mantenere condizioni di comfort e salubrità occorre che tali temperature non superino certi valori caratteristici. Il parametro di controllo su cui vengono effettuate le verifiche è la temperatura superficiale minima θ_{si min} ovvero:

θ_{si min} > θ_sat per evitare fenomeni di condensa superficiale la temperatura superficiale minima deve essere superiore alla temperatura di saturazione 13,2 °C (con θ_i = 20°C UR = 65% in accordo con DPR 59/2009 e in assenza di un sistema di controllo dell’umidità interna)

θ_{si min} > θ_muffa per evitare il rischio di formazione di muffe la temperatura superficiale minima deve essere superiore alla temperatura 16,7 °C (UR = 80%)

 

per le case passive (θ_i = 20°C UR = 50%):

θ_{si min} > 12,6 °C per evitare il rischio di formazione di muffe

θ_{si min} > θ_comfort la temperatura superficiale minima deve essere superiore alla temperatura di comfort (>17 °C)

 

con riferimento al fattore di temperatura (in accordo con UNI EN ISO13788) deve essere verificata:

f_{Rsi >} f_{Rsi max}

dove:
f_{Rsi max} = rappresenta il mese critico con il più alto valore f_{Rsi min} ottenuto con il valore minimo della temperatura superficiale interna e la temperatura media mensile più bassa θ_e*
f_{Rsi max} = (θ_{si min} – θ_e* ) / (θ_i – θ_e* )

 

Calcolo per la determinazione ψ

L’esempio prende in considerazione un ponte termico geometrico tra due pareti presente nell’abaco della norma UNI EN ISO 14683:2008 sezione Angoli / C5

 

valori di progetto:

R_si= 0,13 m²K/W    R_se= 0,04 m²K/W

d = 0,3 m

U = 0,343 W/(m²K)

R= 2,5 m²K/W resistenza termica dello strato isolante

 

risultati della norma UNI EN ISO 14683: (e = esterno i = interno)

L_2D = 0,71 W/(mK)

ψ_i = -0,15 W/(mK)

ψ_e = 0,05 W/(mK)

Attraverso il calcolo agli elementi finiti è stato ricavato un valore ψ_e = 0,034 (W/mK) di oltre 30 % inferiore al valore fornito dalla UNI EN ISO 14683:2008. Tale imprecisione aumenterà in base a quanto ci allontaniamo dalla configurazione del pacchetto presente nell’abaco. L'analisi compiuta sottolinea i valori decisamente conservativi delle trasmittanze termiche lineiche ψ proposte dalla normativa UNI 14683: vista l'importanza dei ponti termici nel bilancio energetico globale degli edifici ad alta efficienza energetica i valori di riferimento riportati per le differenti tipologie di ponte termico risulta eccessivamente cautelativi.

 

Alcuni esempi di calcolo di ponti termici

Si riportano alcuni esempi di calcolo e simulazione di ponti termici relativi a casi reali eseguiti attraverso il metodo agli elementi finiti.