Analisi energetica 1- Il benessere termo-igrometrico 2- Il bilancio energetico 3- L’isolamento termico 4- Tipologie di impianti
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Analisi energetica preliminare: il benessere Si può parlare di benessere quando si ha una sensazione di appagamento psico-fisico dei cinque sensi. Si può parlare quindi di benessere acustico, visivo, olfattivo, termico. Il benessere termoigrometrico o thermal comfort è definito dall'American Society of Heating Ventilation and Air-conditioning Engineers (ASHRAE) come quel particolare stato della mente che esprime soddisfazione con l'ambiente circostante. Gli studi-esperimenti condotti dal danese P. Ole Fanger hanno messo in evidenza come in edifici residenziali con scadenti condizioni di comfort termoigrometrico il rischio di malattie polmonari, soprattutto nei bambini, è molto alto. Gli studi condotti su edifici per uffici dimostrano che il disagio termoigrometrico crea un decisivo abbattimento del grado di attenzione e il conseguente rendimento. Secondo gli studi e le teorie di Fanger il benessere termoigrometrico in un edificio si raggiunge a seconda delle relazioni che si instaurano tra le variabili soggettive e le variabili ambientali. www.mariogentili.it
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Il benessere termoigrometrico Con riferimento al benessere termoigrometrico, le variabili soggettive sono relative all'attività che l'individuo svolge all'interno dell'ambiente e al tipo di vestiario. L'attività metabolica di un individuo trasforma l'energia chimica prodotta dall'assunzione del cibo in energia termica. La potenza metabolica viene riferita all'unità di superficie corporea W/m2 e normalmente l'attività metabolica di un individuo è espressa in met. 1 met corrisponde a 58,2 W/m2. I valori met per diverse attività fisiche sono indicati nella norma UNI EN ISO 7730 Variabili ambientali sono le quattro variabili che dipendono dalle condizioni climatiche esterne ed interne all'edificio e che influenzano il benessere termoigrometrico: 1. Temperatura dell'aria: si misura in °C 2. Umidità relativa dell'aria interna: indica il rapporto tra la quantità di vapore contenuto da una massa d'aria e la quantità massima che ne può contenere quella massa d'aria nelle stesse condizioni di temperatura e pressione. Si misura quindi in percentuale %. 3. Temperatura media radiante: espressa in °C, si calcola come media delle temperature delle pareti interne all'ambiente, compresi soffitto e pavimento. 4. Velocità dell'aria: espressa in m/s www.mariogentili.it
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Tasso metabolico o metabolismo energetico
Si definisce tasso metabolico o metabolismo energetico M la differenza tra l’energia somministrata nell’unità di tempo al nostro organismo tramite alimenti, acqua e aria e quella espulsa, nella stessa unità di tempo, sotto forma di anidride carbonica, feci e urina. M cresce passando da attività di quiete ad attività fisiche di sforzo e varia da organismo a organismo.
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Il metabolismo energetico M Il metabolismo energetico M rappresenta quindi l’enegia termica prodotta internamente al corpo umano dalle reazioni chimiche che trasformano in energia le sostanze nutritive. Si misura in met. 1 met = 58 W/m2
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Il metabolismo energetico M La potenza meccanica ceduta attraverso l’attività motoria è sempre minore dello sforzo necessario alla sua generazione, pertanto il corpo umano, affinché la sua energia iinterna e la sua temperatura non varino, deve cedere energia all’ambiente circostante. La cessione avviene per: • convenzione con l’aria circostante, • irraggiamento con l’ambiente circostante, • espulsione dell’acqua tramite pelle e/o polmoni. Quando l’energia espulsa è maggiore del tasso metabolico, l’organismo reagisce innescando meccanismi di termoregolazione finalizzata a raggiungere una situazione di equilibrio. Si ha il benessere termico detto anche termico igrometrico, quando non si ha né caldo, né freddo.
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Meccanismi di termoregolazione Nella fisiologia della termoregolazione il corpo umano si suddivide in due zone: una esterna costituita dalla pelle e dai tessuti sottocutanei, una interna detta nucleo. Per un organismo sano il nucleo ha una temperatura costante di 37°C, +/- 0,5°C. Il bilanciamento energetico sul corpo umano è dato dall’equazione: M
M
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Meccanismi di termoregolazione
SENSORI DEL CALDO
SENSORI DEL FREDDO
IPOTALAMO TEMPERATURA LIMITE 37 °C
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PELLE TEMPERATURA LIMITE 34°C.
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Meccanismi di termoregolazione
M M
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Meccanismi di termoregolazione
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Condizioni di benessere per mantenere il benessere termico devono essere soddisfatte DUE CONDIZIONI
LA COMBINAZIONE DELLA TEMPERATURA DELLA PELLE E DELLA TEMPERATURA INTERNA FORNISCA LA SENSAZIONE DI NEUTRALITÀ TERMICA. www.mariogentili.it
IL BILANCIO DI ENERGIA SUL CORPO UMANO SIA SODDISFATTO: L’ENERGIA METABOLICA PRODOTTA DEVE ESSERE UGUALE ALLE DISPERSIONI VERSO L’AMBIENTE.
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Indicatori per la misura del benessere termoigrometrico Si tratta di indici di livelli di comfort che nascono dalle relazioni tra il funzionamento del corpo umano e la sensazione di benessere termico. La norma UNI EN ISO 7730 ne individua due: 1. Il Predicted Mean Vote - PMV, ovvero Voto Medio Previsto, è un indice di valutazione dello stato di benessere di un individuo e tiene conto delle variabili soggettive e ambientali; si tratta quindi di una funzione matematica che dà come risultato un valore numerico su una scala con range -3 (indice di sensazione di troppo freddo) a +3 (indice di sensazione di troppo caldo), dove lo zero rappresenta lo stato di benessere termico. Essendo un indice medio riferito ad un gruppo di individui, il raggiungimento del PMV pari a zero non significa che l'intero gruppo abbia raggiunto le condizioni di benessere. 2. Il Percentage of Person Disatisfaied - PPD, esprime la percentuale di persone insoddisfatte in un determinato ambiente
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Predicted main vote - PMV è l’indice che rappresenta il valore del voto medio che sarebbe espresso da un ampio campione di persone nei confronti dell’ambiente in esame e valutato attraverso l’espressione analitica proposta da Fanger (1970):
E’ un indice basato sull’equilibrio tra il calore prodotto all’interno del corpo e quello dissipato dal corpo stesso. Si osserva che il PMV è funzione sia dei 4 parametri ambientali (temperatura dell’aria ta , temperatura media radiante tr , velocità dell’aria va , pressione dell’aria pa), sia dei due parametri personali (il calore prodotto all’interno del corpo M −W e l’isolamento termico dell’abbigliamento tcl ). Il PMV calcolato corrisponde alla sensazione psicofisica che un ampio campione di persone esprimerebbe nei confronti dello stesso ambiente attraverso una scala termica a 7 punti: La ISO 7730 individua 3 categorie di comfort termico: 1. A: − 2.0 ≤ PMV ≤ 2.0 ; 2. B: − 5.0 ≤ PMV ≤ 5.0 ; 3. C: − 7.0 ≤ PMV ≤ 7.0 . www.mariogentili.it
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Percentage of Person Disatisfaied- PPD Il PPD è l’indice associato al PMV ed indica la percentuale di persone che invece non esprimono una condizione di soddisfazione termica per l’ambiente in esame. Il PPD viene calcolato a partire dal PMV mediante la seguente espressione analitica: Si osserva che per valori di PMV =0 il PPD=5%, ovvero, anche nel caso in cui la maggior parte delle persone esprime una sensazione di completa soddisfazione mentale per l’ambiente, esiste una minima percentuale che non è d’accordo con il giudizio medio espresso.
il cui andamento in funzione di PMV è:
La seguente tabella riassume i criteri di comfort per ogni categoria individuata dalla ISO 7730 :
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Influenza isolamento termico sul benessere e sui consumi In un edificio è possibile individuare il seguente flusso di produzione dell’energia termica:
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Il bilancio energetico di un edificio La Direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico degli edifici (anche conosciuta come EPBD, Energy Performance of Building Directive) prevedeva di considerare le seguenti voci: climatizzazione invernale, climatizzazione estiva, ventilazione, produzione di acqua calda per usi sanitari e illuminazione. La normativa italiana, invece, al momento considera elementi di certificazione obbligatoria – con parametri definiti – solo il riscaldamento invernale e la produzione di acqua calda, riservandosi di legiferare sugli altri punti in un prossimo futuro.La legislazione italiana prevede la certificazione energetica degli edifici. Gli edifici, o meglio i sistemi edificio-impianto, devono essere classificati in base ad un indice di prestazione energetica globale (EPgl), definito come 1. rapporto tra la domanda annua di energia primaria e la superficie utile dell’edificio [kWh/(m2·anno)], 2. negli altri casi l’indice è definito dal rapporto tra la stessa domanda annua di energia primaria ed il volume dell’edificio [kWh/(m3·anno)].
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Perdite e rendimenti degli impianti Va distinto il concetto di consumo energetico degli impianti (in pratica la quantità di energia in arrivo, e che noi paghiamo) dal concetto di energia che i diversi combustibili o vettori (carbone, gas, gasolio, biomassa, elettricità, ecc) sono in grado di sviluppare prima della loro trasformazione nei vari impianti: l’energia primaria. La differenza tra il potenziale e l'effettivo consumo di un certo combustibile dipende sia da quanta energia l'impianto consuma per funzionare, sia dagli sprechi e dall'inefficienza dello stesso. Infatti ogni impianto ha un sistema di produzione, un sistema di distribuzione, un sistema di emissione e un sistema di regolazione. E ognuna di queste fasi può dare luogo a perdite di energia, che insieme definiscono la maggiore o minore efficienza dell'impianto.
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Il bilancio energetico di un edificio Il bilancio energetico di una unità immobiliare rispetto, ad esempio, alle esigenze di riscaldamento e acqua calda sanitaria, segue la seguente logica: • Gli apporti: tutto ciò che in termini di calore arriva dall'esterno e diviene benessere senza costo energetico (riscaldamento solare, luce naturale); eventuali altre fonti di calore interne a costo zero (ad esempio calore che si irraggia da un'altra unità immobiliare). I calcoli vengono fatti secondo le tabelle delle zone climatiche. • Le dispersioni: tutto ciò che in termini di calore esce dall'edificio per trasmissione (pareti, coperture) o ventilazione (finestre, porte). Ponendo come risultati desiderati una certa temperatura dell'aria nella stagione invernale e una certa fornitura d'acqua calda, sarà la somma algebrica di questi flussi (tutti gli apporti meno tutte le dispersioni) a determinare la quantità di calore e quindi di energia che deve essere fornita dagli impianti.
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Energia primaria Il termine energia primaria esprime dunque il potenziale energetico ed è una misura “neutra” dell'energia, che rende confrontabili i diversi combustibili e sommabili tra loro i diversi flussi. L’energia primaria può essere espressa in TEP (tonnellate equivalenti di petrolio), kWh (chilowattora), tCO2 (tonnellate di Co2 emesse). Confrontare consumi energetici di natura differente significa relazionare categorie diverse qualitativamente, e ciò può avvenire solo trovando un elemento comune: appunto la quantità di energia primaria contenuta in ogni combustibile. L'energia primaria, quindi, dipende, da un lato, dal fabbisogno di energia e dall'altro, dal tipo di combustibile o vettore utilizzato per produrre energia e dall'efficienza di produzione. Questo indicatore, secondo il progetto di norma europeo prEN 15315, è calcolato con la seguente equazione:
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Energia primaria
Il fattore di energia primaria risulta sempre maggiore dell'unità, che rappresenta il combustibile consumato e misurato ai contatori, mentre la parte rimanente definisce l'energia consumata nelle diverse fasi di vita del combustibile (estrazione, trasformazione, trasporto, ecc.).
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Il calcolo del bilancio energetico di un edificio Dalla domanda di energia termica dell’ambiente confinato, sulla base della valutazione dei rendimenti dei sistemi impiantistici, si risale alla domanda di energia primaria. Il sistema fisico confinato dalla superficie esterna dell’edificio può essere considerato un sistema termodinamico aperto, operante in regime mediamente stazionario. Applicando ad esso il Primo Principio della Termodinamica (nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma) si può scrivere la seguente equazione di bilancio energetico, in termini di potenza termica media riferita ad un generico intervallo di tempo dτ:
Il secondo membro rappresenta la variazione di energia interna del sistema nel tempo, che si può esprimere come il prodotto della capacità termica efficace dell'edificio C per la variazione della sua temperatura media nell'intervallo di tempo considerato. Per capacità efficace si intende la capacità termica di quella parte della massa dell’edificio che effettivamente immagazzina e/o restituisce energia termica nell’intervallo di tempo considerato. www.mariogentili.it
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L’indice di prestazione energetica Secondo le “linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici” gli edifici vengono classificati in base ad un indice di prestazione energetica globale (EPgl) così definito:
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L’indice di prestazione energetica Secondo le Linee Guida per la certificazione energetica, nel caso di edifici residenziali esistenti con superficie utile fino a 1000 m2, l'indice di prestazione energetica per la climatizzazione invernale (EPi) può essere ricavato in modo semplificato come segue:
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Il fabbisogno di energia termica
I GG, gradi giorno, per definizione, sono la differenza tra la temperatura giornaliera media esterno e quella interna (normativa italiana = 20°C) che abbiamo in casa, per tutti i giorni del periodo di riscaldamento:
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I Gradi Giorno La norma UNI EN ISO 15927-6:2008 è la norma europea che specifica la definizione, il metodo di calcolo e il metodo di presentazione dei dati relativi alle differenze di temperatura cumulate (gradi giorno), utilizzate per stimare l'energia utilizzata per il riscaldamento degli edifici. Tali dati sono generalmente espressi in gradi ora o gradi giorno e sono spesso indicati semplicemente come "gradi ora di riscaldamento" o "gradi giorno di riscaldamento". In pratica, si tratta di definire, zona per zona, quanti sono i "gradi necessari ogni giorno" per riscaldare una casa. In termini matematici i gradi giorno si esprimono come: Il Decreto del Presidente della Repubblica del 26 agosto 1993, n. 412, accenna ad un periodo annuale convenzionale di riscaldamento e fissa convenzionalmente la temperatura ambiente a 20 °C, quindi: Te < 20°C
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I Gradi Giorno: le zone Le zone climatiche sono individuate in base ai gradi giorno e sono A B C D E F.
• alla zona climatica A appartengono i comuni italiani più caldi • alla zona climatica F quelli più freddi.
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L’isolamento termico: definizione Per isolamento termico (o coibentazione termica) si intende tutti i sistemi atti a ridurre il flusso termico di calore scambiato tra due ambienti a temperature differenti. L'isolamento termico in edilizia è volto a contenere il calore all'interno degli edifici. Il calore è un’energia che vuole sempre andare dal corpo caldo al corpo freddo; quindi, in inverno, il calore vuole uscire dalle nostre case (che sono calde) e andare verso l’esterno (che è più freddo). Il calore si trasmette attraverso 3 metodi: • • •
conduzione, convezione irraggiamento.
Per bloccare i primi due sistemi di trasmissione serve un isolante “classico”, per bloccare l’irraggiamento serve un isolante “riflettente”.
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L’isolamento termico: il problema
Bisogna tenere ben presente tutte le variabili presenti e che si potrebbero presentare, quando ci accingiamo a progettare una coibentazione termica. Le variabili da tenere presenti sono: • il tipo di materiale da impiegare (conduttività termica, trasmittanza, resistenza termica) • la risposta inerziale dell'edificio cui stiamo operando, • le condensazioni, e la formazione di ponti termici (che portano alla formazione di punti di rugiada),
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L’isolamento termico: conduttività termica Come scegliere un isolante performante? Sembra molto difficile ma non lo è per niente, ogni isolante termico, o meglio, ogni materiale per edilizia deve riportare, sulla propria scheda tecnica il valore di conduttività termica indicata con la lettera greca ʎ. Tale valore può essere espresso in Watt oppure in Kilocalorie secondo due formule in stretta relazione tra loro:
Comunemente viene considerata l’unità di misura espressa in Watt (è comunque importante conoscere questa relazione per poter meglio confrontare materiali diversi espressi con unità di misura diverse). Un buon isolante ha un basso valore di conduttività termica. La conduttività aumenta con l'umidità. Un materiale dimezza le sue caratteristiche isolanti già con un contenuto del 56% di umidità.
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L’isolamento termico: conduttività termica L’isolante più utilizzato in edilizia è l’aria: λ = 0.024 (W/mK). Gran parte dei materiali che isolano bene lo fanno perché riescono ad essere occupati principalmente d’aria mantenuta “ferma”, quasi immobile.
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L’isolamento termico: trasmittanza termica La trasmittanza termica U (UNI EN ISO 6946) si definisce come il flusso di calore che attraversa una superficie unitaria sottoposta a differenza di temperatura pari ad 1°C ed è legata alle caratteristiche del materiale che costituisce la struttura e alle condizioni di scambio termico liminare che si assume pari all’inverso della sommatoria delle resistenze termiche degli strati tra le pareti interne-esterne.
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L’isolamento termico: trasmittanza termica I valori limite della trasmittanza termica U sono fissati dal D.Lgs 192/05:
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L’isolamento termico: resistenza termica La resistenza termica R è data dalla formula
Per ottenere uguale isolamento termico con materiali diversi non bisogna riferirsi ad uno spessore uguale, ma ad uguale R.
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L’isolamento termico: risposta inerziale delle pareti L’inerzia termica è la capacità di un componente edilizio (parete o tetto) di: • •
attenuare le oscillazioni della temperatura ambiente dovuta ai carichi termici interni ed esterni variabili nell’arco del giorno (radiazione solare, persone, elettrodomestici); accumulare il calore e rilasciarlo dopo un certo numero di ore nel tempo.
In altre parole, la risposta inerziale di un edificio consiste nella sua capacità di trattenere nel tempo il calore all’interno delle proprie murature una volta spento l’impianto di riscaldamento. Quanto maggiore sarà l’inerzia termica, tanto minori saranno i consumi energetici.
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L’isolamento termico: risposta inerziale delle pareti L’inerzia termica, è proporzionale al calore specifico dei materiali e alla massa (riassumibili nella capacità termica) e inversamente proporzionale alla conducibilità termica (o più in generale alla trasmittanza termica) e alla differenza di temperatura fra interno ed esterno. Si deve tenere conto di due grandezze: • lo sfasamento, che indica quando o quale ritardo si farà sentire all’interno il clima esterno; • l’attenuazione, indica la possibilità di ridurre l’impatto termico esterno. L’inerzia termica infatti, agisce sia come smorzamento dell’ampiezza dell’onda termica esterna, sia con lo sfasamento della stessa, cioè con il ritardo di tempo che intercorre tra l’impatto dell’onda termica sulla superficie esterna del muro ed il suo manifestarsi, con intensità smorzata, sulla faccia interna del muro stesso.
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L’isolamento termico: risposta inerziale delle pareti
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L’isolamento termico: i ponti termici Si definisce ponte termico ciò che si verifica, in un involucro edilizio, in quelli che sono i suoi punti di discontinuità, che si configurano come vie privilegiate di trasmissione del calore. I punti di discontinuità sono quelli in cui le caratteristiche termiche del manufatto sono significativamente differenti da quelle immediatamente circostanti e possono essere discontinuità sia di tipo costruttivo che di tipo geometrico. Ad esempio discontinuità costruttive possono verificarsi quando una struttura è realizzata con materiali eterogenei, come un’intelaiatura in cemento armato tompagnata con laterizi, o una struttura in acciaio tompagnata con cristalli, nei punti di contatto tra i due materiali. Le discontinuità di tipo geometrico, invece, sono quelle che si verificano, ad esempio, in corrispondenza degli spigoli tra le pareti, tra parete e solaio o tra parete ed infisso. Altre discontinuità possono verificarsi in corrispondenza di interruzioni dello strato di isolamento termico. I ponti termici possono quindi presentarsi vicino a pilastri, travi, balconi, davanzali o anche in corrispondenza delle giunture di malta tra i laterizi, che rappresentano punti di eterogeneità della struttura.
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L’isolamento termico: i ponti termici Tra le principali conseguenze di un ponte termico ci sono le dispersioni termiche verso l’esterno che possono arrivare a rappresentare fino al 30% del totale, per cui si verifica la conduzione di calore dall'interno di una casa verso l'esterno, mentre d'estate esso viene veicolato dall'esterno all'interno. Altro effetto del ponte termico è la formazione di condensa, che si verifica quando l’umidità relativa interna si combina con una temperatura superficiale dell’involucro che ha un punto di rugiada più basso. La formazione di muffe, altro effetto antiestetico e dannoso alla salute, è dovuta al raffreddamento delle zone immediatamente circostanti, perché tali tipi di funghi attecchiscono laddove trovano le condizioni favorevoli, rappresentate da determinati valori di umidità e basse temperature. Infine, la differente dilatazione termica di materiali diversi a contatto tra loro porta a dei piccoli movimenti che possono causare distacchi e formazione di crepe, con il conseguente degrado di tutta la facciata.
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L’isolamento termico: i ponti termici Prima di qualsiasi intervento serve però capire la vera origine del problema, anche per escludere del tutto la presenza di tubi perdenti o di guasti di altro tipo. In questa operazione è utilissima la termografia a infrarossi, che permette di fotografare la situazione termica dell’intero edificio o della porzione di esso dove si evidenziano le macchie di muffa. La termografia IR serve agli addetti ai lavori per pianificare interventi meno invasivi possibile, ma può servire anche ai privati per verificare lo stato di salute prima di un acquisto o per documentare il problema al venditore che lo aveva nascosto. Una volta scoperto che le macchie di muffa dipendono dalla mancanza di isolamento nelle pareti o da ponti termici strutturali il rimedio è quasi sempre soltanto un cappotto isolante, che consiste nella’applicare sulla faccia esterna della parete un pannello di materiale isolante ricoperto da un intonaco, rinforzato da un’armatura e completato da uno strato di finitura.
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L’isolamento termico: i ponti termici
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L’isolamento termico: i ponti termici
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Tipologie di impianti
Ghisa Alluminio Acciaio
Centralizzati Autonomi Generatori di calore Biomassa Pompe di calore Solare termico
Radiatori Pannelli radiatori Ventilconvettori
Sistemi distribuzione
Fuori terra Interrata
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A parete A pavimento A soffitto
A pavimento
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Produzione: Caldaie a condensazione Le caldaie a condensazione si differenziano dalle più classiche per il loro maggiore rendimento a parità di combustibile utilizzato. Ciò si traduce in minori consumi edemissioni, maggiori risparmi. Riescono in questa impresa recuperando e sfruttando il calore dei fumi di scarico creati durante la combustione e che vengono espulsi nelle tradizionali caldaie al fine di evitare fenomeni di condensa e quindi di corrosione all’interno dell’apparecchiatura. Se si tiene conto che la quantità di energia contenuta nel vapore acqueo, generato nel processo di combustione, è pari all’11% circa dell’energia totale che viene prodotta, allora il quadro si fa più chiaro. Così il calore latente recuperato dai fumi di scarico che vengono fatti condensare, e che in origine hanno una temperatura di 110° circa, viene reinvestito per riscaldare l’acqua di ritorno dall’impianto; per una caldaia a condensazione che lavora con temperature tra i 40°/ 50° è evidente la portata del recupero (le caldaie tradizionali possono lavorare tra i 150° ed i 250°). È possibile affermare che la sola caldaia a condensazione, a monte di un impianto di riscaldamento con dei radiatori tradizionali, permette risparmi intorno al 25%. www.mariogentili.it
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