Umidità negli edifici

L’aria umida non è altro che una miscela di due gas perfetti, l’aria secca, un aeriforme e il vapor d’acqua il cui contenuto varia in funzione delle condizioni ambientali.
L’aria secca è a sua volta una miscela di altri gas che nelle trasformazioni del condizionamento ambientale mantengono un rapporto di concentrazione costante. L’aria secca risulta così mediamente composta: 78% azoto (N₂), 21% l’ossigeno (O₂), 3% anidride carbonica (CO₂), e da altri gas fra cui l’Argon (Ar). Le trasformazioni fisiche delle miscele d’aria e vapor d’acqua riferite alla pressione atmosferica standard (circa 1,013 bar) vengono descritte nel diagramma psicrometrico. Lo stato fisico di una miscela (temperatura, umidità , entalpia) vengono rilevati sul diagramma noti due qualsiasi parametri.

 

Caratteristiche dello stato fisico dell'aria umida nel punto A

 

 

Dal grafico si deduce come la capacità dell’aria di contenere il vapore acqueo è strettamente legato alla temperatura a bulbo secco, infatti mantenendo costante la quantità di vapor acqueo dell’aria (X=cost) all’aumentare della temperatura diminuisce l’umidità relativa UR e viceversa diminuendo la temperatura diminuisce la quantità di vapor acqueo necessaria a saturare l’aria. Tale fenomeno spiega come basse temperature interne superficiali aumentano il rischio di fenomeni di condensa superficiale.

 

 

La formazione di condensa avviene quando la temperatura superficiale di un elemento edilizio è inferiore alla temperatura di rugiada dell’aria che lo circonda. A titolo esemplificativo consideriamo per esempio un ambiente interno in cui l’aria si trovi alla temperatura tbs = 21 °C e con UR = 60%. L’aria a contatto con superficie fredda, per esempio una parete esterna avente una temperatura superficiale interna T= 10 °C, subisce un raffreddamento sensibile che produce un aumento della UR fino a raggiungere la curva di saturazione (UR=100%) in corrispondenza della temperatura a b.s. di 13 °C che rappresenta la temperatura di rugiada (tr) dell’aria interna al locale. L’ulteriore raffreddamento dell’aria fino a 10 °C provoca la condensazione di una certa quantità di vapore acqueo contenuta nell’aria. Sulla parete si possono formare delle goccioline di acqua (dipende dalle proprietà del materiale superficiale).

 

Tipi di umidità

L’umidità rappresenta la prima causa dei danni provocati agli edifici, tuttavia occorre fare qui una prima distinzione in:

• umidità di risalita per effetto capillare dal terreno
• umidità da infiltrazioni d’acqua
• umidità dovuta alle precipitazioni atmosferiche
• umidità igroscopica caratteristica di ogni materiale edilizio
• umidità da cantiere
• umidità indoor prodotta negli ambienti interni
• umidità causata da rotture di tubazioni

Se alcune di queste tipologie sono proprietà fisiologiche altre sono e devono essere opportunamente valutate in fase progettuale per garantire livelli di comfort abitativo.
Ad esempio negli ambienti interni quotidianamente vengono prodotti quantitativi variabili di vapore acqueo per effetto della presenza di persone, delle attività svolte, del funzionamento di apparecchiature. L’aria umida prodotta deve essere smaltita con il ricambio d’aria attraverso la ventilazione naturale o un impianto di ventilazione meccanica controllata (VMC).

 

Migrazione del vapor d’acqua attraverso le strutture

Nelle verifiche delle prestazioni termoigrometriche delle strutture edilizie si ipotizza che il movimento dell’umidità sia dovuto solamente al fenomeno della diffusione; il vapore d’acqua migra dalle zone a pressione parziale di vapore maggiore a quelle con pressione parziale inferiore secondo la legge di Fick:

g_v = - (pv_i –pv_e) / (1/β₀ + s_i/δ_i + 1/ β_n)

dove:
g_v = portata di vapore diffuso per unità di superficie della struttura  [kg / m² s]
δ_i = coefficiente di diffusione al vapore o permeabilità del materiale i [kg / m s Pa]
pv_i – pv_e = gradiente della pressione parziale del componente [Pa]
s_i = spessore dello strato del materiale [m]
β = coefficiente liminare di diffusione (trascurabili)

 

La legge di Fick afferma che la portata di massa di vapore che si diffonde in un materiale poroso in una certa direzione, in condizioni stazionarie, è proporzionale al gradiente di pressione parziale e all'area della superficie nella direzione normale a quella considerata, attraverso un coefficiente dipendente dal materiale, chiamato permeabilità. La relazione che esprime l’attitudine di una parete a farsi attraversare dal flusso di vapore per differenza di pressione unitaria e per metro quadro di superficie è la permeanza espressa come:

Π = 1 / (1/β₀ + ΣR_v + 1/ β_n)

dove:
Π = permeanza della struttura   [kg / m² s Pa]
ΣR_v = Σ s_i/δ_i resistenza alla diffusione del vapore dello strato i-esimo considerato come il rapporto fra lo spessore e la permeabilità   [m² s Pa / kg]
Β₀ = coefficiente liminare interno
Β_n = coefficiente liminare esterno

 

L’inverso della permeanza definita resistenza specifica alla diffusione del vapore viene espressa come:

Z_p = Π^-1 = (1/β₀ + ΣR_v + 1/ β_n)      [m² s Pa / kg]

 

Molto spesso i valori della resistenza al flusso di vapore sono espressi attraverso il parametro adimensionale μ, dato dal rapporto tra la resistenza al flusso di vapore del materiale in esame e quella di riferimento assunta pari alla resistenza alla diffusione del vapore offerta dall’aria a parità di spessore (l’aria ha μ = 1). Il valore μ è un parametro indipendente dalla geometria e dalle dimensioni, valori crescenti indicano una maggiore resistenza del materiale al passaggio del vapore mentre valori bassi sono indice di traspirabilità. La permeabilità al vapore di uno strato di materiale viene definita indicando lo spessore dello strato d’aria equivalente sd che rappresenta la resistenza al passaggio del vapore opposta da un materiale in rapporto a quella opposta da uno strato di aria equivalente ovvero:

s_d = µ ∙ d   [m]

In funzione del valore di sd i materiali possono venire classificati:

sd < 0,2 m                     materiale aperto alla diffusione di vapore, traspirante

0,2 m < sd < 100 m       materiale semitraspirante al vapore

sd > 100 m                    materiale impermeabile alla diffusione di vapore

maggiore è il valore di sd maggiore sarà il tempo che il vapore acqueo impiegherà ad attraversarlo. Un sd = 5m significa che frena il passaggio di vapore d’acqua corrispondente a uno strato d’aria di spessore uguale a 5 m

 

Il metodo di Glaser e i suoi limiti

I meccanismi di trasmissione del vapore acqueo attraverso le strutture edilizie è un fenomeno fisico estremamente complesso da descrivere anche in relazione delle proprietà dei materiali come la porosità, il coefficiente di imbibizione, la pemeabilità, la capillarità che ne influenzano il processo migratorio.
I metodi di previsione basati sulla legge di Fick come il caso del diagramma di Glaser consentono di determinare l’eventuale rischio di condensa confrontando gli andamenti della pressione parziale di vapore e del relativo valore di saturazione su ogni sezione.
A causa della differenza di pressione parziale del vapore tra interno e esterno si genera una migrazione del vapore d’acqua attraverso le strutture edilizie. Il contatto con superfici a temperature inferiori rispetto alla temperatura di rugiada provoca la condensazione interstiziale.
A partire dal valore della pressione parziale del vapore di uno degli ambienti si determina la curva delle pressioni parziali. Note le temperature dei vari strati che compongono la struttura si costruisce il diagramma delle pressioni di saturazione. L’intersezione delle curve di pressione indica la presenza del fenomeno della condensazione (per ulteriori approfondimenti si rimanda alla UNI EN ISO 13788).

Tale procedura per quanto sia ampiamente applicata nella pratica edilizia, essendo un metodo semplificato, presenta numerosi limiti che possono determinare valutazioni e scelte progettuali errate poichè non si tiene conto di alcuni importanti fenomeni fisici quali:

• la dipendenza della conduttività termica dal contenuto di umidità
• l’influenza del calore latente di condensazione sulla distribuzione della temperatura
• la variazione delle proprietà dei materiali in funzione del contenuto di umidità
• la risalita capillare e il trasporto di vapore in fase liquida all’interno dei materiali (questo provoca spesso una sovrastima del rischio di condensazione interstiziale come il caso della verifica di Glaser)
• il moto dell’aria attraverso fessure o intercapedini
• la capacità igroscopica dei materiali e l’eventuale solubilità in acqua di sali presenti nei materiali
• influenza delle condizioni climatiche esterne (vento, acqua meteorica, sole…)
• il processo diffusivo viene ipotizzato in condizioni di regime stazionario

 

Meccanismi di trasporto dell’umidità – tratto da “Elementi di termofisica- A.Cocchi

 

Nel caso la struttura non risulti verificata e quindi soggetta a fenomeni di condensa, generalmente si interviene sulla disposizione degli strati della struttura mediante l’interposizione di uno strato con maggiore resistenza alla diffusione del vapore comunemente detto freno al vapore che viene disposto verso l’ambiente a temperatura superiore o nel caso di accoppiamento con isolante sul lato caldo del materiale.

Attenzione!

• la condensa formatasi in inverno deve evaporare durante l’estate. La barriera al vapore è fortemente sconsigliata perché riduce drasticamente la possibilità di smaltire la condensa a differenza invece di uno strato che dosi opportunamente il passaggio del vapore e consenta alla struttura di asciugarsi.
• l'adozione di un freno al vapore deve essere valutato attentamente al fine di evitare successivi inconvenienti che possono compromettere il comportamento termoigrometrico nel periodo estivo;
• il processo di diffusione del vapore acqueo è accellerato dalla presenza nella costruzione di fughe aperte, ponti termici, spifferi che possono aumentare il rischio di fenomeni di condensa (ad una corretta progettazione deve seguire una corretta messa in opera);
• il metodo di calcolo come quello di Glaser fornisce risultati cautelativi tuttavia dalla nostra esperienza abbiamo verificato, soprattutto in interventi di riqualificazione di edifici esistenti (realizzazione di cappotto interno), che ipotesi progettuali non verificate con il metodo Glaser sono risultate idonee attraverso metodi più accurati quali la verifica in regime variabile in accordo con la UNI EN 15026.
• La massima quantità di condensa ammissibile riportata nella UNI EN ISO 13788 è fissata secondo quantitativi assai restrittivi rispetto al reale comportamento igrometrico dei materiali e delle loro caratteristiche igroscopiche( es. legno, laterizi…)

 

Quantità limite di condensa ammissibile alla fine del periodo di condensazione secondo UNI EN ISO 13788

 

Normativa sulla previsione del rischio di condensazione superficiale e interstiziale

La normativa propone metodi di calcolo semplificati per la valutazione del rischio di condensazione superficiale e interstiziale dovuta alla diffusione del vapore acqueo attraverso la verifica di due parametri:

• la temperatura superficiale minima per evitare la formazione di muffe
• la pressione parziale del vapor d’acqua (funzione delle temperature e del grado igrometrico) che in consente di ricavare l’andamento delle pressioni all’interno dei vari strati che compongono la struttura e verificare al condizione per cui p_v > p_sat ovvero che la pressione del vapore sia inferiore alla pressione di saturazione al fine di evitare la condensazione

Il DPR 59/2009 prescrive la verifica di assenza di fenomeni condensazione superficiale e interstiziale a tutte le strutture opache o comunque lo smaltimento di eventuali condense durante il periodo estivo. Il metodo di calcolo fa riferimento alla normativa UNI EN ISO 13788 eccetto per le condizioni al contorno interne fissate dalla legge italiana, nel caso di assenza di un sistema di controllo di umidità relativa in una temperatura interna ti = 20 °C e UR= 65%. In assenza di norme specifiche i valori di permeabilità dei vari materiali da costruzione possono essere ricavati dalla UNI 10351 che in relazione alle condizioni di impiego distingue δa la permeabilità riferita all’intervallo di umidità relativa 0 a 50% e δu riferita all’intervallo di umidità relativa 50 a 95%

 

Esempio di proprietà termoigrometriche di alcuni materiali riportati nella UNI EN ISO 10456

 

La norma UNI EN ISO 10456:2008 fornisce i valori di progetto tabulati che possono essere utilizzati nei calcoli di trasferimento di calore e umidità per materiali termicamente omogenei e prodotti comunemente utilizzati nella costruzione degli edifici.