6/6/2002

Il comfort termico delle strutture di legno

Sono molti i motivi per i quali conviene dotare gli edifici, in particolare quelli adibiti a residenze, scuole e uffici, di un comfort termico ottimale. Oltre alle considerazioni di tipo energetico, fondamentali quando si parla di edilizia sostenibile, è utile sottolineare la grande importanza della qualità dell'edificio ai fini della sua abitabilità e quindi della possibilità che esso sia fruito più a lungo, con un differimento nel tempo delle esigenze di adeguamento che, spesso, comportano dei costi economici enormemente superiori ai costi necessari per raggiungere gli stessi risultati in sede di costruzione. I prodotti a base di legno, per le loro doti di versatilità e per l'affidabilità che sono in grado di garantire offrono notevoli opportunità nell'ambito della progettazione e realizzazione di edifici con comfort termoacustico ottimale. La confidenza di un progettista nel materiale che sceglie deriva dalle informazioni che ha ricevuto e dall'esperienza che ha accumulato, e per i prodotti a base di legno si stanno rapidamente colmando, anche in Italia, le lacune esistenti a livello formativo e normativo. Per questo motivo BolognaFiere, nell'ambito del Saie 2002, ha organizzato un Focus Tecnologico: Strutture di Legno. Esso consiste di:
· una mostra di modelli in scala reale che presentano le soluzioni tecniche tradizionali e le più recenti innovazioni;
· un libro dal titolo "Strutture di legno, per un'edilizia sostenibile" che andrà ad arricchire la collana dei Manuali Tecnici per l'Edilizia del Sole24Ore
· un convegno sul tema delle strutture di legno per l'edilizia sostenibile.

Con il termine "isolamento termico" si intendono tutte gli accorgimenti riguardanti il rivestimento dell'edificio, al fine di ottenere nei locali una temperatura confortevole per l'uomo. L'isolamento termico è innanzitutto una delle principali "fonti di energia", infatti consente di ridurre il consumo per il riscaldamento ed il condizionamento degli edifici, e quindi di risparmiare materie prime ed evitare l'emissione di inquinanti in atmosfera.
Negli edifici di nuova costruzione il fabbisogno di energia può essere ridotto fino a un quarto di quello degli edifici esistenti. E' comunque possibile intervenire negli edifici esistenti, con adeguati lavori di coibentazione.
L'isolamento termico equilibrato crea un clima salubre all'interno degli ambienti. Il benessere fisico delle persone dipende da una serie di fattori, che possono essere migliorati in misura determinante attraverso un isolamento termico ottimale. L'insieme dei fattori che costituiscono l'aspetto termico della qualità del luogo in cui si abita o si lavora può essere definito comfort termico (Figura 1) ed è legato anche alla natura dei materiali isolanti utilizzati: nel caso del legno, la bassa conducibilità e l'elevata inerzia termica.
E' possibile intervenire, attraverso misure di architettura e impiantistica adeguate, su alcuni parametri che incidono sul comfort termico, come per esempio la temperatura dell'aria, che deve essere mantenuta tra 18-23°C, la velocità dell'aria, inferiore a 0,2 m/s. Altri fattori sono la temperatura media di irradiamento delle superfici di rivestimento, l'umidità dell'aria, il tipo di attività svolta dalle persone, l'abbigliamento.

Figura 1 - Comfort termico durante lo svolgimento di un'attività sedentaria.

I due fattori principali del comfort termico, influenzati direttamente dall'isolamento termico, sono la temperatura dell'aria e la temperatura di irradiamento. La temperatura dell'aria ottimale e/o desiderata all'interno di un edificio viene garantita dal riscaldamento. La temperatura media di irradiamento all'interno di un edificio dipende dalle temperature delle superfici degli elementi strutturali. L'isolamento ottimale di un edificio consente di risparmiare energia per il riscaldamento grazie alla riduzione della dispersione di calore attraverso le pareti esterne. Consente inoltre l'abbassamento delle temperature dell'aria ambiente, ottenendo un notevole risparmio sulle spese di riscaldamento. Infatti, è stato calcolato che il calo di temperatura ambiente di un grado consente un risparmio del 6% sulle spese di riscaldamento.
Un altro parametro fondamentale per il benessere all'interno degli edifici è costituito dalla qualità dell'aria che circola all'interno di un ambiente, da mantenere attraverso un ricambio regolare (20-60 m³/ora, in funzione dell'attività svolta). L'aerazione degli ambienti comporta necessariamente una dispersione di energia, che può essere ridotta al minimo aerando correttamente.
La capacità di assorbimento delle superfici delle pareti incide sul comfort di un ambiente ancora più che il ricambio d'aria. Essa è definita come la capacità di una parete di assorbire e di recedere l'umidità dell'aria di un ambiente. Un materiale igroscopico assorbe velocemente e cede lentamente l'umidità prodotta nell'ambiente per esempio nel bagno oppure in cucina (Figura 3.7.2).

Figura 2 - Variazione dell'umidità relativa dell'aria in ambienti di uguali dimensioni, con superfici interne differenti. Lo strato interno in legno assorbe decisamente meglio l'umidità, rispetto ad uno strato costituito da intonaco di calce.

I costi di un isolamento termico insufficiente spesso vengono sottovalutati. I costi del materiale isolante e della relativa applicazione spesso non dicono molto, in quanto l'isolamento consente una riduzione dei costi su altri fronti. I vantaggi di un isolamento termico non possono essere espressi soltanto in termini di denaro, in quanto un maggiore comfort dovuto a pareti più calde o una riduzione dell'inquinamento di sostanze nocive sono, allo stato attuale, difficilmente quantificabili.
Nella progettazione di un edificio, la scelta dell'isolamento presume una conoscenza orientativa dei fondamenti della fisica applicata all'edilizia:
La capacità d'accumulo del calore di un materiale da costruzione viene definito attraverso la sua capacità termica specifica c (J/kgK). Quanto maggiore sarà c, tanto più il materiale sarà in grado di accumulare calore. La capacità termica c indica la quantità di calore necessaria per riscaldare la massa di 1kg di un determinato materiale di 1 K (grado Kelvin), senza che il materiale alteri il proprio stato di aggregazione (ovvero si sciolga oppure si evapori).
La conduttività termica l (W/mK) è la capacità di un materiale di condurre calore. Il coefficiente l indica la quantità di calore che fluisce attraverso 1 m² di materiale dello spessore di 1 m, con una differenza di temperatura tra interno ed esterno di 1 K. I materiali isolanti sono caratterizzati da un coefficiente l minore di 0,1W/mK.
La trasmittanza U (W/m²K) (coefficiente di trasmissione termica globale) indica il flusso di calore che viene ceduto dall'ambiente interno all'aria esterna attraverso una superficie di 1mq e con una differenza di temperatura di 1K, viene riferito ad uno stato stazionario ovvero a temperature interne ed esterne costanti. Quanto minore è il coefficiente U di un determinato elemento strutturale, tanto migliore risulterà l'isolamento e tanto minori risulteranno le dispersioni termiche. La trasmittanza U (W/m²K), può essere calcolata con la formula:



in cui:
di = spessore di ogni strato (m);
li = conduttività termica dello strato (W/mK);
ai = convezione termica naturale sul lato interno;
ae = convezione termica naturale sul lato esterno.
Si riassumono nella tabella seguente i coefficienti di conduttività termica di alcuni materiali.

Tabella 1 - Coefficienti di conduttività termica di alcuni materiali.

Le somme delle convezioni termiche naturali sui lati esterno e interno per alcune situazioni ricorrenti sono riportate nella tabella 2.

Tabella 2 - Somme delle convezioni termiche naturali sui lati esterno e interno per alcune situazioni ricorrenti.

La resistenza di un materiale alla diffusione del vapore µ (m) corrisponde allo spessore in m dello strato d'aria che oppone alla diffusione del vapore la stessa resistenza di 1m di materiale. La diffusione del vapore acqueo attraverso gli elementi strutturali, provocata dalla presenza di una differenza di pressione di tale vapore acqueo tra gli ambienti interni ed esterni, può determinare la formazione di condensa all'interno degli elementi strutturali stessi. A seconda del materiale e dello spessore dello strato, il trasporto di vapore acqueo all'interno dell'elemento strutturale viene contrastato con l'opposizione di una resistenza alla diffusione (barriere al vapore). Il posizionamento delle barriere al vapore è molto importante: devono essere disposte sempre all'interno del livello del punto di rugiada, in modo che sia difficilmente raggiungibile dal vapore acqueo. La temperatura del punto di rugiada è la temperatura in cui l'aria raggiunge la saturazione con un determinato contenuto d'acqua ed un eventuale raffreddamento provoca la separazione dell'acqua.

Nella tabella seguente si riporta una classificazione della resistenza alla diffusione del vapore acqueo dei materiali da costruzione.

Tabella 3 - Classificazione della resistenza alla diffusione del vapore acqueo dei materiali da costruzione.

La tenuta all'aria e al vento è un altro fattore importante per raggiungere i livelli di risparmio energetico calcolati. Infatti, in costruzioni non perfettamente stagne, si ha una dispersione di calore dovuta ad un ricambio d'aria incontrollato; in inverno si verifica una fuoriuscita dell'aria calda. Le perdite per aerazione, oltre a dipendere dalle abitudini di aerazione dell'inquilino, sono dovute alla presenza di fessurazioni sulla superficie di rivestimento dell'edificio. Per l'isolamento termico degli edifici è quindi fondamentale lo studio dei particolari costruttivi: non devono, infatti, essere presenti ponti termici, che comportano, oltre alla dispersione di calore, anche altri inconvenienti come la formazione di muffe. Nella costruzione di un edificio ex-novo, occorre prevedere un isolamento continuo sull'intero involucro. In estate il calore proveniente dall'esterno può causare all'interno dei locali un clima sgradevole; in parte per le radiazioni solari, in parte per l'elevata temperatura esterna. Il riscaldamento dell'aria dei locali è determinato dai seguenti fattori:
· grado di passaggio dell'energia complessiva attraverso i vetri;
· grandezza e orientamento delle finestre;
· protezione delle finestre dal sole;
· possibilità di ventilazione del locale;
· capacità di accumulo termico delle componenti interne.
Nei giorni a forte irraggiamento, come conseguenza delle oscillazioni di temperatura nelle 24 ore, si muove un'onda di calore che passa attraverso le pareti esterne verso l'interno. La capacità di accumulo termico delle pareti e delle componenti interne dell'edificio influisce fortemente sulla temperatura del locale. Infatti, nel passaggio, l'ampiezza dell'onda diminuisce e si sfasa dal punto di vista temporale. La temperatura dell'aria interna varia allo stesso modo della temperatura della superficie interna della parete esterna dell'edificio. Viene definita la variazione di ampiezza della temperatura (TAV) e lo sfasamento f. come in Figura 3. Tanto minore è il TAV, tanto migliori saranno le condizioni climatiche all'interno del locale.


Figura 3 - Relazione d'ampiezza della temperatura e sfasamento dell'onda termica.

Nelle strutture di legno i tetti ventilati sono preferibili essenzialmente per due motivi: per portare all'esterno l'umidità impedendo la formazione di condensazione e per ricondurre all'esterno l'energia termica d'irraggiamento sul tetto. L'efficacia della ventilazione dipende dalla velocità della corrente d'aria all'interno della cavità. L'isolamento termico, nella realizzazione di un tetto inclinato, può essere inserito sopra i puntoni (Figura 4), tra i puntoni (Figura 5) oppure sotto i puntoni. Nel primo caso, l'altezza dello spazio ventilato è minore, con il rischio di non permettere una ventilazione sufficiente. Un altro inconveniente è dovuto al fatto che la barriera al vapore viene interrotta in corrispondenza del puntone. Nel secondo caso, il tetto è caratterizzato da un'altezza minore, l'unico inconveniente è costituito dal puntone, in corrispondenza del quale si ha un ponte termico. Anche la parete può essere ventilata (Figura 6). La tabella 4 riassume le caratteristiche delle soluzioni illustrate.


Figura 4 - Tetto caldo, con puntoni a vista.

Figura 5 - Tetto freddo, con puntoni nascosti sopra il rivestimento.

Figura 6 - Parete esterna ventilata.

Tabella 4 - Principali caratteristiche tecniche delle tipologie di tetto e parete delle Figure 3.7.4-6.

Nelle applicazioni esterne, la protezione degli elementi lignei contro le infiltrazioni d'acqua deve essere realizzata con delle membrane traspiranti, che costituiscono un'efficace barriera contro le infiltrazioni d'acqua liquida e nel contempo consentono l'evacuazione del vapore.

Nella scelta dell'isolante termico per un edificio progettato con criteri di sostenibilità, occorre considerare principalmente tre caratteristiche:
· la conduttività termica (l),
· la permeabilità al vapore (µ) e
· l'ecocompatibilità.
I primi due aspetti sono certamente noti al progettista, invece per l'ultimo aspetto è necessario considerare le problematiche legate alla preparazione delle materie prime utilizzate, al dispendio di energia necessario per la produzione e il trasporto, gli effetti provocati sulla salute da un eventuale rilascio di gas o dal distacco di fibre. Nella costruzione di un edificio possono essere utilizzati diversi materiali isolanti, la cui scelta dipende strettamente dall'uso per cui sono destinati, dal tipo di costruzione e dalle preferenze dei committenti. Fra i materiali isolanti più comuni, si possono citare il polistirolo espanso (EPS), il polistirolo estruso (XPS), la lana di vetro e di roccia, i pannelli isolanti in fibra di legno, il sughero, i pannelli di materiale isolante minerale, il poliuretano (PUR), la cellulosa soffiata, la lana di pecora, il vetro cellulare, il cotone, la perlite soffiata.
Alcuni cenni sugli isolanti a base di legno:
I pannelli isolanti in fibra di legno vengono generalmente realizzati con legno di abete rosso o di pino, la materia prima è costituita da residui di segheria, operazioni selvicolturali ecc…. Questi pannelli vengono utilizzati in diverse applicazioni, sia interne che esterne dell'edificio, per le buone caratteristiche termoisolanti e la maggiore capacità di accumulo del calore rispetto ad altri materiali. Sono inoltre pienamente conformi ai requisiti richiesti per un prodotto ecologico e rappresentano pertanto una valida alternativa ai materiali isolanti in plastica o in fibra minerale.
Il sughero si ricava dalla corteccia della quercia da sughero, coltivata principalmente in Portogallo, Spagna e Africa nord-occidentale. I pannelli isolanti in sughero vengono prodotti in versione espansa o granulare, senza aggiunta di altre sostanze. Sono materiali con un buon coefficiente di isolamento termico e con un'elevata capacità di accumulo di calore (circa dieci volte maggiore rispetto al materiale isolante in fibre minerali).
La cellulosa soffiata è poco diffusa in Italia, ma trova larga applicazione in Nordamerica, Germania ed Austria, dove operano vari applicatori specializzati. Ha buone caratteristiche tecniche ed un rapporto costo/qualità favorevole.

La Tabella 5 riassume le caratteristiche dei diversi tipi di isolante.


Figura 7 - Isolanti naturali in fibra di legno. Pannello di fibra a bassa densità (a sinistra); pannello in sughero espanso (al centro); isolante in cellulosa soffiata (a destra).


Figura 8 - Base antartica. I prodotti a base di legno offrono un ottima coibentazione a tutte le latitudini (foto: sips.org).