Guida al vetro in edilizia: caratteristiche termiche ed energetiche nell’approfondimento di BibLus-net (PARTE 2)

Guida al vetro in edilizia, il secondo approfondimento tecnico relativo alle caratteristiche termiche ed energetiche del vetro: la trasmittanza termica “U” ed il fattore solare “g”

Il vetro in edilizia viene impiegato per le superfici trasparenti dei fabbricati e rappresenta un elemento versatile e duttile, utilizzato in diversi settori. Negli ultimi anni la costante e crescente ricerca sviluppata dai produttori delle lastre di vetro ha permesso di raggiungere standard prestazionali molto elevati.

In questo articolo proponiamo il secondo approfondimento sul vetro in edilizia relativo alle caratteristiche termiche ed energetiche: trasmittanza termica “Ug” e fattore solare “g”.

Ricordiamo che la guida completa è suddivisa in 4 parti:

  1. caratteristiche tecniche del vetro: metodi di lavorazione e tipologie (v. art. “Guida al vetro in edilizia: caratteristiche tecniche e descrittive nell’approfondimento di BibLus-net“)
  2. caratteristiche termiche ed energetiche del vetro (trasmittanza termica Ug, fattore solare g)
  3. vetri bassoemissivi: caratteristiche tecniche e principi di funzionamento
  4. isolamento acustico e resistenza al fuoco

Il vetro adoperato in edilizia deve garantire elevate prestazioni energetiche per assicurare comfort termico all’interno dell’unità immobiliare e per ottimizzare i costi per il riscaldamento ed il condizionamento.

Gli sviluppi tecnologici hanno consentito di ottenere livelli di isolamento termico sempre più elevati, grazie all’applicazione sulle lastre di vetro di rivestimenti o coating (rivestimento superficiale applicato sulle lastre con funzioni di controllo energetico).

I parametri che influiscono sulle verifiche relative agli indici di prestazione energetica globale dell’edificio, sono:

  • la trasmittanza termica Ug delle chiusure trasparenti
  • il fattore di trasmissione globale di energia solare g(gl+sh)

Trasmittanza e caratteristiche termiche

Conduttività termica λ

La conduttività termica rappresenta la capacità di un materiale di condurre il calore. In particolare, la conduttività termica è il rapporto fra il flusso di calore (cioè la quantità di calore trasferita nell’unità di tempo attraverso l’unità di superficie) e il gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore nel caso della conduzione termica (ovvero quando i contributi al trasferimento di calore per convezione e per irraggiamento termico siano trascurabili).

Essa dipende solo dalla natura del materiale, non dalla sua forma.

La conduttività termica viene misurata come quantità di calore, espressa in Watt per ora, che attraversa uno strato di spessore pari a 1 metro con un’area di 1 m², quando la differenza di temperatura agli estremi del materiale è di un grado.

Questa grandezza viene rappresentata con la lettera greca λ (lambda) e può essere calcolata mediante la formula:

λ = W · h · m / (h · m² · K)   [W/mK]

dove:

  • W = quantità di calore per ora
  • h = tempo
  • m = spessore
  • m² = area
  • K = differenza di temperatura misurata in gradi Kelvin
  • Kelvin è l’unità di misura della temperatura, basata sui gradi Celsius; 0 gradi Kelvin, ossia lo zero assoluto (-273,15°C), corrispondono alla temperatura più fredda possibile; K = °C + 273,15
Flusso di calore e concetto di trasmittanza

Quantità di calore e concetto di conduttività termica

La conducibilità termica è inversamente proporzionale al potere isolante del materiale, quanto più il valore di λ è basso, tanto migliore è l’isolamento.

I materiali isolanti tipici hanno valori circa di λ= 0,01 ÷ 0,06 W/mK.

Nel grafico successivo si può osservare il contributo dei singoli effetti al trasferimento di calore totale attraverso un materiale isolante: alle basse densità prevale il contributo radiativo e quello convettivo, mentre con l’aumentare della densità tali contributi diminuiscono e aumenta quello conduttivo della fase solida.

Andamento della conduttività termica in funzione della denistà

La conduttività termica in funzione della densità e della trasmissione del calore

Resistenza termica

La resistenza termica rappresenta la capacità di un materiale di opporsi al flusso di calore che tende ad attraversarlo.

Nel caso di strati omogenei la resistenza termica R è determinata dal rapporto tra spessore dello strato e conducibilità termica λ del materiale di cui è composto lo strato stesso.

Quindi, R si determina mediante la formula:

R = d/λ   [m²K/W]

dove:

  • λ = conducibilità termica
  • d = spessore del materiale (in metri)

La resistenza termica è direttamente proporzionale allo spessore e inversamente proporzionale alla conducibilità termica.

Trasmittanza termica

La trasmittanza termica U rappresenta la quantità di calore che attraversa una struttura di un edificio (ad esempio una parete esterna) a causa della differenza di temperatura esistente tra i due estremi (interno ed esterno) di tale struttura.

Il valore di trasmittanza termica U, disciplinato dalla UNI EN 673, è fornito direttamente dal produttore, che definisce il livello di isolamento termico del vetro e ne indica l’efficacia.

Essa è legata alle caratteristiche del materiale e si assume pari a:

U = 1/R [W/m²K]

Le proprietà isolanti del materiale in funzione delle caratteristiche termiche

Le proprietà isolanti del materiale in funzione delle caratteristiche termiche

La trasmittanza termica di un serramento rappresenta la media pesata tra la trasmittanza termica del telaio e di quella della vetrata, più un contributo aggiuntivo, la trasmittanza termica lineare yg, dovuto all’interazione tra i due componenti e alla presenza del distanziatore, applicato lungo il perimetro visibile dalla vetrata.

Le variabili che influenzano il calcolo della trasmittanza termica sono quindi:

  • la tipologia di vetro
  • la tipologia di telaio
  • la tipologia di un eventuale distanziatore

Per il calcolo si procede combinando in parallelo la trasmittanza degli elementi che costituiscono la chiusura, pesandoli rispetto all’area e aggiungendo a questo contributo l’effetto del ponte termico determinato dall’interfaccia vetro-telaio e localizzato in corrispondenza del distanziatore. L’effetto del distanziatore viene contabilizzato in presenza di vetri doppi o tripli.

La trasmittanza delle chiusure trasparenti Uw viene calcolata secondo quanto riportato nella UNI EN ISO 10077-1: 2007 ed in particolare:

Uw = (AgUg + AfU+ lgyg) / Aw

dove:

  • UW è la trasmittanza termica del serramento [W/(m²K)]
  • AW è l’area del serramento o dimensione del vano finestra considerata esternamente [m²]
  • Ag è l’area del vetro [m²]
  • Ug è la trasmittanza termica del vetro [W/(m²K)]
  • Af è l’area del telaio [m²]
  • Uè la trasmittanza termica del telaio [W/(m²K)]
  • lg è il perimetro del vetro [m]
  • yg è la trasmittanza termica lineare del distanziatore [W/(mK)]; il valore di trasmittanza termica lineare è riferito alla conduzione di calore supplementare che avviene a causa dell’interazione tra telaio, vetri e distanziatore dei vetri in funzione delle proprietà termiche di ognuno dei componenti

La struttura dei vetri viene solitamente indicata con 3 numeri, come ad esempio “4-9-4”, che sta ad indicare che il vetro interno ha spessore 4 mm, l’intercapedine è di 9 mm e il vetro esterno è spesso 4 mm.

Al variare degli spessori e dei materiali utilizzati variano le prestazioni energetiche della vetrata.

La presenza dell’intercapedine è un fattore fondamentale per migliorare il flusso termico tra interno ed esterno: essa, infatti, impedisce al calore di fuoriuscire durante l’inverno e, viceversa, di entrare in estate.

Nell’intercapedine, al posto dell’aria è possibile inserire gas nobili (più pesanti dell’aria) come argon e kripton. Questi rallentano ancora di più il flusso di calore da una lastra all’altra.

Nell’illustrazione successiva è riportato il valore della resistenza termica dell’intercapedine al variare dello spessore e del gas di riempimento usato. Si nota come i risultati migliori si ottengono con il gas Kripton.

Resistenza termica delle intercapedini con gas

Resistenza termica dell’ intercapedine al variare dello spessore e del gas

Per approfondire i concetti relativi alle caratteristiche termiche dei serramenti, rimandiamo all’articolo “Trasmittanza infissi, taglio termico e vetro basso emissivo: la guida definitiva sui serramenti“.

Valori tipici di trasmittanza

Nella seguente tabella riassumiamo i valori della trasmittanza termica in funzione della:

  • tipologia del vetro
  • tipologia del trattamento
  • dimensioni
  • tipologia di gas nell’intercapedine
Vetrata Valori della trasmittanza termica Ug
Tipologia Vetro Dimensioni (mm)  (W/m²K)
Vetro monostrato Monolitico non trattato 4 5,8
Monolitico non trattato 6-8 5,7
Monolitico non trattato 10 5,6
Vetro con trattamento superficiale (medio emissivo) 6-8 4,3
Vetrata Valori della trasmittanza termica Ug in funzione del tipo di gas nell’intercapedine
Tipologia Vetro Dimensioni (mm) Aria
(W/m²K)
Argon (W/m²K) Krypton (W/m²K)
 Doppio vetro Vetri senza trattamento superficiale 4-6-4 3,3 3,0 2,8
4-9-4 3,0 2,8 2,6
4-12-4 2,9 2,7 2,6
4-15-4 2,7 2,6 2,6
4-20-4 2,7 2,6 2,6
Una lastra con trattamento superficiale (medio emissivo) 4-6-4 2,9 2,6 2,2
4-9-4 2,6 2,3 2,0
4-12-4 2,4 2,1 2,0
4-15-4 2,2 2,0 2,0
4-20-4 2,2 2,0 2,0
Una lastra con trattamento superficiale (basso emissivo) 4-6-4 2,7 2,3 1,9
4-9-4 2,3 2,0 1,6
4-12-4 1,9 1,7 1,5
4-15-4 1,8 1,6 1,6
4-20-4 1,8 1,7 1,6
Una lastra con trattamento superficiale (emissività ≤ 0,1) 4-6-4 2,6 2,2 1,7
4-9-4 2,1 1,7 1,3
4-12-4 1,8 1,5 1,3
4-15-4 1,6 1,4 1,3
4-20-4 1,6 1,4 1,3
Una lastra con trattamento superficiale (emissività ≤ 0,05) 4-6-4 2,5 2,1 1,5
4-9-4 2,0 1,6 1,3
4-12-4 1,7 1,3 1,1
4-15-4 1,5 1,2 1,1
4-20-4 1,5 1,2 1,2
Vetrata Valori della trasmittanza termica Ug in funzione del tipo di gas nell’intercapedine
Tipologia Vetro Dimensioni (mm) Aria   (W/m²K) Argon  (W/m²K) Krypton (W/m²K)
Triplo vetro Vetri senza trattamento superficiale 4-6-4-6-4 2,3 2,1 1,8
4-9-4-9-4 2,0 1,9 1,7
4-12-4-12-4 1,9 1,8 1,6
Due lastre con trattamento superficiale

(medio emissivo)

4-6-4-6-4 2,0 1,7 1,4
4-9-4-9-4 1,7 1,5 1,2
4-12-4-12-4 1,5 1,3 1,1
Due lastre con trattamento superficiale

(basso emissivo)

4-6-4-6-4 1,8 1,5 1,1
4-9-4-9-4 1,4 1,2 0,9
4-12-4-12-4 1,2 1,0 0,8
Due lastre con trattamento superficiale (emissività ≤ 0,1) 4-6-4-6-4 1,7 1,3 1,0
4-9-4-9-4 1,3 1,0 0,8
4-12-4-12-4 1,1 0,9 0,6
Due lastre con trattamento superficiale (emissività ≤ 0,05) 4-6-4-6-4 1,6 1,3 0,9
4-9-4-9-4 1,2 0,9 0,7
4-12-4-12-4 1,0 0,8 0,5

Per calcolare la trasmittanza termica di vetri e infissi è possibile utilizzare il software gratuito TerMus-G.

Il fattore solare g

Altro parametro rilevante nella determinazione del bilancio energetico complessivo dell’edificio è il fattore solare g: esso assume maggiore rilevanza quando gli ambienti presentano ampie superfici trasparenti, essendo in grado di quantificare il calore che entra negli ambienti interni.

Il fattore solare g di una superficie vetrata rappresenta la percentuale di energia termica τe che attraversa in maniera diretta  la lastra rispetto all’energia totale incidente. Il valore di questo parametro può variare moltissimo, oscillando da un minimo di 0,1 ad un massimo di 0,9 (10% – 90%).

Nel caso di singolo vetro g coincide con τe:

g =  τe

Nel caso di un vetro isolante, il fattore solare tiene in considerazione un ulteriore contributo il flusso di calore secondario qi trattenuto dal vetro-camera e successivamente trasmesso verso l’interno. In particolare, il fattore solare è pari a:

g = τ+ qi 

Il fattore solare "g" per vetrate monostrato e a 2 strati

Il fattore solare “g” per vetrate monostrato e a 2 strati

Il fattore solare è in grado di quantificare il calore che entra negli ambienti interni, ricoprendo un’importanza assai rilevante nella determinazione del bilancio energetico complessivo dell’edificio.

Nei mesi invernali, infatti, gli apporti solari gratuiti contribuiscono in modo positivo a ridurre il fabbisogno energetico per il riscaldamento; nella stagione estiva, al contrario, se non correttamente considerati durante la fase progettuale o durante la scelta del prodotto vetrario per l’edilizia, possono creare problemi, in modo particolare per i paesi mediterranei.

Fattore di trasmissione globale di energia solare e normativa

Già il dpr 59/2009 imponeva limiti prestazionali al fattore solare g del vetro, prescrivendo l’utilizzo di vetrate con g ≤ 50 %, qualora fosse dimostrata la non convenienza tecnica e/o economica di sistemi schermanti esterni. Tale indicazione, mirata al miglioramento del comfort interno e alla riduzione del fabbisogno energetico estivo, ha rappresentato un pratico riferimento per le superfici vetrate.

Più recentemente il decreto requisiti minimi (dm 26 giugno 2015) ha introdotto il fattore di trasmissione globale di energia solare g(gl+sh), in cui:

  • g è il fattore solare
  • gl indica il contributo fornito dal vetro
  • sh indica il contributo fornito dalle schermature mobili (shading), purché, come precisato dalla specifica tecnica UNI/TS 11300-1, siano applicate in modo solidale con l’involucro edilizio e non liberamente montabili e smontabili dall’utente

Il parametro g(gl+sh) interessa, più in particolare, le sole chiusure trasparenti delimitanti un ambiente climatizzato verso l’esterno con orientamento da Est a Ovest Est a Ovest, passando per il Sud.

Indipendentemente dalla zona climatica, assume il valore g(gl+sh) = 0,35. Con questo valore si deve verificare la prestazione termica utile per la climatizzazione estiva.

Il contributo del fattore solare del solo vetro ggl si ottiene nel seguente modo:

ggl = ggl,n · Fw

dove:

  • ggl,n  è il fattore solare g misurato con incidenza normale
  • Fw è il fattore di esposizione, di cui la suddetta UNI/TS fornisce i valori in funzione di:
    • mese
    • esposizione
    • tipo di vetro (vetro singolo, vetrata isolante doppia o tripla)

La trasmittanza solare complessiva g(gl+sh) dovuta anche agli elementi schermanti è pari a:

g(gl+sh) = ggl · (ggl + sh / ggl)

Il fattore di riduzione dovuto agli elementi schermanti (ggl+sh/ggl) è generalmente fornito dal produttore.

 

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