Efficienza energetica dei serramenti: il valore Uf

Dopo aver affrontato la trasmittanza e la resistenza termica dei componenti opachi , e dei vetri, affrontiamo ora uno dei punti più critici dell’involucro termico: i telai dei serramenti.

Un serramento di buona qualità è infatti la chiave di volta di un edificio efficiente, e a maggior ragione di una Casa Passiva, sia in termini di comfort che di risparmio energetico.

In questo articolo, affrontiamo la determinazione della trasmittanza del telaio con calcolo analitico: un nostro prossimo articolo illustrerà il metodo con camera calda, nel caso di un serramento in legno.

Nel testo, il termine “telaio” fa riferimento all’intero profilo, composto dal telaio vero e proprio (parte fissa), e dall’anta (parte apribile). Non vi è compreso il falso telaio, che secondo norma UNI EN ISO 10077-2, come illustreremo in seguito, non rientra nel calcolo della trasmittanza Uf, e viene invece compreso nel calcolo del ponte termico di installazione.

Smartwin

Rendering di un serramento in legno-alluminio per Case Passive.

FLUSSO TERMICO MONODIMENSIONALE

Per comprendere il valore di trasmittanza Uf del telaio finestra, occorre in primo luogo avere ben chiaro il valore di trasmittanza U di un elemento opaco: vi invitiamo pertanto a leggere il nostro articolo in merito.

La trasmittanza U è calcolata secondo la UNI EN ISO 6946, a condizione che le superfici dell’elemento analizzato siano piane e parallele tra loro, senza eccessive discontinuità al loro interno (ad esempio, senza montanti metallici), e che il flusso attraversi la struttura in modo ortogonale alle sue facce.

Flusso

Esempio di una parete esterna: se l’elemento è piano (come avviene di solito), il flusso termico dall’interno verso l’esterno avviene in direzione ortogonale alle superfici stesse, in modo monodimensionale.

Anche nel caso della trasmittanza termica di una vetrocamera, Ug, una delle condizioni da rispettare nel calcolo secondo UNI EN 673 è che gli elementi siano piani e paralleli tra loro.

IGU faces


Modello di una vetrocamera: anche in questo caso, se l’elemento è piano, il flusso è monodimensionale.

 

FLUSSO TERMICO BIDIMENSIONALE

Nel caso del telaio di una finestra, invece, l’elemento non è affatto composto da elementi piani, bensì da una geometria molto complessa che comprende elementi opachi, elementi in metallo, e cavità d’aria.

Emu - window sill drawing

La sezione del telaio inferiore di un serramento in legno a battente.

Emu - window sill 3D

Vista tridimensionale del medesimo telaio.

Una geometria complessa fa sì che il flusso termico nel telaio avvenga in modo bidimensionale, e non possa pertanto venire calcolato con formule semplificate.

Emu - window sill isotherms

Le isoterme nel telaio finestra analizato: il loro andamento curvo dimostra che il flusso termico nella sezione avviene in modo bidimensionale.

Per questo motivo, per analizzare il flusso termico del telaio di un serramento, occorre un calcolo agli elementi finiti, secondo UNI EN ISO 10077-2. Negli Stati Uniti, il National Fenestration Rating Council (NFRC) richiede invece un calcolo secondo ISO 15099: avremo modo di effettuare un confronto in un nostro prossimo articolo.

Emu - window sill finite elements

La scomposizione in triangoli del telaio del serramento, all’interno del software di calcolo agli elementi finiti.

Il valore di trasmittanza del telaio varia in base alla geometria del telaio, che determina il flusso termico bidimensionale nella sua sezione. E’ pertanto piuttosto comune, quindi, che una singola finestra abbia almeno due valori distinti di Uf: uno per il telaio inferiore (davanzale), e uno per il telaio laterale superiore. Se la finestra è a due ante, avrà un valore Uf distinto anche per il telaio centrale.

Emu - window side drawing

Il telaio laterale/superiore della medesima finestra.

Emu - window side 3D

Vista tridimensionale del telaio laterale.

Emu - window side isotherms

Le isoterme nel telaio laterale.

Emu - window side finite elements

La scomposizione in triangoli del telaio laterale, nel programma agli elementi finiti.

La domanda può sorgere spontanea:

Si può utilizzare un valore Uf medio?

Dipende dalle responsabilità che il progettista vuole assumersi.

  • Il valore Uf medio corretto è ottenuto dalla media ponderata tra i valori Uf effettivi dei telai, sulla base della geometria della singola finestra. Ogni finestra, pertanto, ha il proprio valore di Uf medio. Il valore medio corretto, quindi, non fa risparmiare tempo.
  • Il valore Uf medio sbagliato, può essere calcolato sulla base di una finestra standard di 1,23×1,48 m ad una anta. Questo non terrebbe però conto, eventualmente, del fatto che una finestra possa avere ad esempio due ante. Anche di fronte a valori medi forniti dai produttori dei serramenti, la responsabilità dei valori usati nel calcolo rimane in ogni caso a carico del progettista dell’edificio. Come nel caso del lambda di progetto, anche nel caso del valore Uf medio, il progettista può utilizzare qualsiasi numero del quale sia pronto ad assumersi la responsabilità.

IL VALORE Uf: LA TRASMITTANZA TERMICA FITTIZIA

Entriamo ora nel merito del calcolo.

Come viene calcolato il valore di trasmittanza Uf del telaio?

Secondo la UNI EN ISO 10077-2, viene calcolato il flusso termico del telaio, nel caso in cui la vetrocamera sia sostituita da un ipotetico pannello di materiale isolante (con lambda standard 0,035 W/mK), del medesimo spessore e incasso del futuro vetro.

Emu - window sill Uf calculation

La modellazione del nodo con il pannello isolante standard secondo UNI EN ISO 10077-2.

Il software agli elementi finiti calcola il valore del flusso termico bidimensionale totale, L2D, dato dal calore che attraversa il telaio finestra e il pannello isolante.

Emu - window sill L2D calculation

Il calcolo del flusso termico bidimensionale, L2D, nel nodo del telaio inferiore (davanzale) del serramento, per determinare il valore Uf secondo UNI EN ISO 10077-2.

Dal valore L2D, va sottratto il valore di flusso termico dato dal solo pannello (L2D_p), calcolato sulla base della trasmittanza termica del pannello stesso (trattandosi di un elemento opaco, il calcolo avviene secondo UNI EN ISO 6946), e alla sua lunghezza bp di come l’elemento viene modellato nel software di calcolo.

L2D_p = Up*bp [W/mK]

La quantità rimanente (L2D_f) corrisponde al flusso termico dovuto al solo telaio:

L2D_f = L2D – L2D_p [W/mK]

Questo valore è ancora espresso in W/mK, ossia esprime la quantità di calore (W/K) che l’elemento scambia per ogni metro lineare (m) di telaio. Per rendere questo valore “compatibile” con una trasmittanza (ossia, espresso in W/m2K), occorre riferirlo all’area del telaio stesso, dividendo il flusso termico bidimensionale per la larghezza del telaio bf:

Uf = L2D_f / bf [W/m2K]

La trasmittanza Uf del telaio è di fatto un valore fittizio, funzionale alla “architettura” del calcolo energetico complessivo, dove il flusso bidimensionale L2D_f viene “spalmato” lungo la larghezza bf del telaio (come la Nutella su una fetta di pane).

nutella bread picture

Nel calcolo della dieta (bilancio energetico), per sapere quante calorie assumiamo (L2D totale), non basta sapere lo spessore dello strato di Nutella (valore Uf): occorre anche sapere quant’è grande la fetta di pane (valore bf). Nutella per metro quadrato: (Nut/m2), l’unità di misura che renderà finalmente comprensibile la fisica.

Questo fa capire come l’efficienza termica del telaio finestra dipenda dal valore di flusso termico complessivo del telaio, L2D_f, dato dal prodotto della trasmittanza termica Uf per la larghezza del telaio stesso, bf.

Senza l’indicazione della larghezza del telaio, bf, il valore di trasmittanza termica Uf perde di significato.

Per questo motivo, si può utilizzare il valore Uf di un telaio solo ed esclusivamente se riferito esattamente al suo valore bf, affinchè il calcolo energetico a valle ricostruisca in modo corretto il flusso termico del telaio: L2D_f = Uf * bf.

Per confrontare tra loro due telai, in termini di efficienza energetica, è sbagliato fare questo sulla base del solo valore Uf: occorre confrontare tra loro almeno i valori di L2D_f. Un confronto più preciso è dato dal valore PSI_opaco del telaio, utilizzato dal Passivhaus Institut per la suddivisione dei serramenti per Case Passive in classi di efficienza: descriveremo questo in un articolo specifico.

Per determinare la larghezza del telaio bf, la norma UNI EN ISO 10077-2 definisce cosa debba essere considerato come facente parte del telaio finestra, e cosa no.

ISO 10077-2 bf

Lo schema esemplificativo della UNI EN ISO 10077-2, che illustra la larghezza del telaio bf, alla quale viene riferito il valore di trasmittanza termica Uf.

Nel caso dei falsi telai, questi non vanno inseriti nel calcolo di trasmittanza termica del telaio: la loro influenza nel flusso termico di installazione viene considerata nel calcolo del ponte termico di installazione, PSI_inst, che affronteremo in un prossimo articolo.

CONCLUSIONI

Per garantire il comfort e l’efficienza energetica degli edifici, specialmente in casi performanti come le Case Passive, i telai dei serramenti assumono un ruolo di primaria importanza.

Affinché il progetto energetico complessivo dell’edificio risulti corretto e affidabile, specialmente nel caso di edifici performanti, sta al progettista calcolare il valore di trasmittanza dei telai dei serramenti (Uf). La precisione e coerenza di questo valore con gli altri parametri di calcolo, infatti, determina a cascata la precisione di altri valori quali la trasmittanza complessiva del serramento Uw, i ponti termici di installazione e così via.

Dall’impostazione del calcolo secondo UNI EN ISO 10077-2, il valore Uf ha senso solo ed esclusivamente se utilizzato nel calcolo in combinazione con il relativo valore di larghezza del telaio, bf.

Per confrontare tra loro due telai, in termini di efficienza energetica, è sbagliato fare questo sulla base del solo valore Uf: occorre confrontare tra loro almeno i valori di L2D_f, dato dal prodotto di Uf * bf.

 

NOTA

Il calcolo del flusso termico L2D, necessario per la determinazione della trasmittanza termica Uf, è stato eseguito con software Dartwin.

 

 

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