Isolamento termico: sappiamo tutto dei materiali isolanti? e delle loro certificazioni?

L'isolamento termico è un elemento fondamentale nell'edilizia moderna, cruciale per garantire comfort abitativo e ridurre i consumi energetici. Ma quali sono i principi scientifici che governano le prestazioni di un materiale isolante? Esiste una correlazione diretta tra peso e capacità isolante? E come possiamo distinguere le certificazioni affidabili da quelle fuorvianti?

In questa intervista esclusiva con Rossella Esposti, Direttore Tecnico di ANIT, e Valeria Erba, Presidente della stessa associazione, esploriamo a fondo il mondo dell'isolamento termico. Le esperte ci guidano attraverso i meccanismi di trasmissione del calore, chiarendo i fattori che influenzano le prestazioni dei materiali isolanti e fornendo preziosi consigli per valutare correttamente le certificazioni.

  

Principi di Isolamento Termico

Quali principi scientifici e tecnici rendono un materiale isolante? Come interagiscono questi principi per minimizzare la trasmissione del calore?

L’energia sotto forma di calore si può trasmettere secondo tre differenti modalità:

• Conduzione: è la modalità di trasmissione del calore che avviene in un mezzo solido, liquido o gassoso dalle zone a temperatura maggiore verso quelle a temperatura minore.
  
• Convezione: è la modalità di trasmissione del calore tipica dei fluidi (liquidi e gas) causato dal movimento delle molecole. Il calore è trasportato attraverso una corrente “calda” del fluido;
  
• Irraggiamento: È la modalità di trasmissione del calore per mezzo di onde elettromagnetiche. Ogni corpo con una temperatura superiore a 0 K (lo zero assoluto pari a -273,15°C) emette calore per irraggiamento. L’intensità dell’irraggiamento emesso dipende dalla temperatura del corpo stesso e dalla natura della sua superficie, ossia dalla sua emissività.

Per frenare la trasmissione del calore il materiale isolante può agire su uno di questi fenomeni, tipicamente la conduzione o l’irraggiamento.

I materiali isolanti tradizionali agiscono prevalentemente sulla parte conduttiva della trasmissione del calore: sono infatti caratterizzati da una bassa conducibilità termica.

La conducibilità termica (λ, espressa in W/mK) esprime l’attitudine di un materiale a lasciarsi attraversare dal flusso di calore, più la conducibilità è bassa meno il calore riesce a trasmettersi. I materiali isolanti hanno indicativamente una conducibilità inferiore a 0,09.

I materiali isolanti riflettenti (che sarebbe più corretto definire “sistemi” perché sono formati da un materiale isolante vero e proprio e da una o due intercapedini) agiscono in vece sulla parte radiativa e sono caratterizzati da superfici bassoemissive (emissività circa 0,2 contro l’emissività 0,9 dei normali materiali da costruzione). Per poter definire un materiale riflettente è pertanto necessario che abbia una superficie bassoemissiva.

    

Relazione tra Peso e Isolamento Termico

Esiste una correlazione diretta tra il peso di un materiale e le sue capacità isolanti? Un materiale più leggero è necessariamente più isolante?

Il parametro che esprime la capacità di un materiale di isolare in regime invernale (definibile stazionario, ossia con un flusso di calore che è sempre diretto dall’interno verso l’esterno dell’edificio) è la conducibilità termica λ sopra descritta.

Il confronto tra i vari materiali in termini di “capacità isolante” può essere eseguito confrontando le loro conducibilità.

Ovviamente un fattore in gioco sarà anche lo spessore dello strato isolante.

La resistenza termica di uno strato è pari a R= s/λ.

Se due materiali hanno diversa conducibilità, per avere strati con pari resistenza termica serviranno diversi spessori: minore spessore tanto minore è la conducibilità termica del materiale. Per cui non entrano in gioco altre caratteristiche del materiale, tra cui il peso.

In regime estivo le cose funzionano un po’ diversamente, perché questo regime non è definibile stazionario. Infatti il flusso di calore può essere diretto dall’esterno verso l’interno dell’edifico per parte della giornata ed invertire la sua direzione per un’altra parte.

La forte oscillazione climatica, tipica di un periodo estivo, porta a dover considerare anche l’effetto “nel tempo” dei meccanismi di scambio termico. In altri termini: oltre al contributo resistivo dei materiali presenti nella struttura, è necessario conoscere e valutare anche il contributo inerziale.

Proviamo a chiarire questo concetto con un esempio: immaginiamo il caso in cui una parete riceva una sollecitazione termica crescente sul lato esterno da 26 a 60°C, mentre sul lato interno la temperatura resta ferma sui 26°C. Quello che si verificherebbe è un progressivo riscaldamento della struttura sino al raggiungimento di uno stato di equilibrio sulle condizioni finali, ovvero nel nostro caso una distribuzione lineare della temperatura tra i 60 °C del lato esterno e i 26 °C di quello interno (si veda anche la rappresentazione riportata in Figura 1).

La velocità con cui la struttura raggiunge questo equilibrio dipende dalla capacità di accumulo di energia degli strati che la compongono. Due strutture che necessitano di periodi differenti per raggiungere le condizioni di equilibrio avranno un comportamento differente ai fini del surriscaldamento estivo degli ambienti.

Quello che succede all’interno della struttura in termini energetici si può spiegare per mezzo dello schema riportato in Figura 2: suddividendo un materiale in tanti strati e immaginando che sia in atto un meccanismo di trasmissione del calore, solo una parte del flusso attraversa lo strato, mentre la restante parte viene assorbita (immagazzinata) dal materiale.

     

  

    

Una porzione di energia riempie il serbatoio d’accumulo proprio dello strato interessato dall’attraversamento. Di conseguenza il flusso energetico passante si riduce via via per ogni strato.

Il regime stazionario, in questo schema, si può rappresentare considerando il caso in cui tutti i serbatoi siano già pieni e quindi il flusso energetico passante risulterebbe legato esclusivamente alla conduttività termica dei materiali.

In regime variabile invece entra in gioco anche il tempo di reazione di ogni strato al passaggio di energia. Materiali con capacità d’accumulo differente innescano comportamenti inerziali e quindi tempi di reazione differenti. Quindi possiamo dire che:

• a parità di trasmittanza termica, una struttura con maggior capacità di accumulo assorbe più energia e impiega più tempo a raggiungere una condizione di equilibrio termico;
• a parità di comportamento inerziale, una struttura con trasmittanza termica più bassa si lascia attraversare da una quantità inferiore di energia anche in condizioni estive.

Per questi motivi parametri che influenzano le prestazioni estive di un materiale sono diversi, e sono i seguenti:

• densità, ρ [kg/m³]
• spessore, s [m]
• calore specifico, c [J/kgK]
• conduttività, λ [W/mK]

Questi a loro volta possono essere sintetizzati attraverso due ulteriori parametri:

• la diffusività termica α [m²/s],
• la capacità termica C volumica [kJ/m³K] o areica [kJ/m²K];

calcolati come:

𝛼 = 𝜆
𝜌 ∙ 𝑐
𝐶 = 𝜌 ∙ 𝑐 oppure 𝐶 = 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ 𝑠

Per esemplificare questi concetti mettiamo a confronto i valori di due materiali comuni: uno strato di calcestruzzo e un pannello di lana di legno mineralizzata. Le differenze tra i due materiali sono riportate nella seguente tabella e sono schematizzate in Figura 3 attraverso un’analogia idraulica.

 

 

 

Il calcestruzzo e la lana di legno mineralizzata sono rappresentati sotto forma di due serbatoi energetici ognuno munito di un coperchio. Guardando la capienza dei due serbatoi è evidente che il calcestruzzo è in grado di accumulare più energia della lana di legno. Questa caratteristica però è compensata dalla dimensione del foro sul coperchio del serbatoio: a parità di sollecitazione energetica il serbatoio del calcestruzzo si “riempie” più velocemente di quello della lana di legno mineralizzata avvicinandosi più rapidamente alla condizione di saturazione.

In altri termini: il serbatoio A, pur avendo una buona capacità termica, ha una bassa capacità di frenare l’energia entrante dovuta alla scarsa conduttività del materiale calcestruzzo. Il serbatoio B, al contrario, è in grado di limitare il flusso termico entrante in maniera più efficace nonostante la minore capacità di accumulo.

La diffusività termica α è il parametro che riassume questi fenomeni in un unico dato. Nel nostro esempio la diffusività termica rappresenta la velocità di riempimento del serbatoio. In generale: minore il valore della diffusività termica, maggiore sarà il contributo del materiale nell’attenuare e sfasare l’onda termica entrante.

Pannelli isolanti con un buon comportamento estivo hanno una diffusività termica α < 0,15 ·10-6 m²/s.

 

Limiti di Isolamento

Quali sono i limiti attuali dell’isolamento termico nei materiali moderni? Quali innovazioni o materiali stanno spingendo questi limiti ancora più in alto?

Secondo il rapporto tecnico UNI TR 11936 “materiali isolanti e finiture per edilizia- Linee guida per verificare la rispondenza al quadro normativo delle informazioni relative alle prestazioni termiche”” è possibile considerare isolanti termici i materiali con conduttività inferiore a 0,09 W/mK e contemporaneamente resistenza termica superiore a 0,5 (m²K)/W.

Ad ora non esistono in commercio materiali isolanti con un valore di conducibilità termica derivante da marcatura CE inferiore a 0,015 W/mK.

Questi valori vengono raggiunti da pannelli in aerogel. Si segnalano infine i pannelli sottovuoto che possono raggiungere livelli più bassi nella loro parte centrale ma per i quali bisogna fare molta attenzione nella posa e lavorazione.

ATTENZIONE. Anche per questi prodotti è possibile produrre la Marcatura CE in base ad un EAD che prevede che venga dichiarato sia il valore di lambda nella parte centrale che ai bordi e anche il valore di isolamento nel caso il vuoto venga a mancare.

Anche per quanto riguarda le finiture, nello stesso UNI/TR 11936 viene indicato che alla data di pubblicazione del documento (febbraio 2024) all’organo tecnico competente del Comitato Termotecnico Italiano (Commissione Tecnica 201- “Materiali Isolanti”) non risultano evidenze circa le presenza in commercio di finiture che abbiano valori di conducibilità termica inferiori a 0,025W/mK (conducibilità termica dell’aria ferma) con tale prestazione verificata in laboratori accreditati secondo metodologie standardizzate applicabili.

PER APPROFONDIRE
Materiali isolanti e finiture edilizie (UNI/TR 11936): le linee guida per saper come valutare le prestazioni termiche

  

Rilascio ritardato del calore

Come influisce l’isolamento termico sulla capacità di un materiale di assorbire calore e rilasciarlo dopo diverse ore? Questa proprietà è vantaggiosa in certi contesti edilizi o industriali?

Si può discutere di come l’isolante termico, ed in particolare la sua posizione rispetto alla stratigrafia di una struttura, possa influire sulla capacità della struttura stessa di assorbire calore e rilasciarlo dopo un certo tempo, sia in regime invernale sia in regime estivo.

Mostriamo un confronto tra due stratigrafie composte dagli stessi materiali ma accoppiati con ordine differente (per semplicità le due stratigrafie hanno solo due strati: uno strato isolante e uno strato con alta inerzia).

L’esempio evidenzia come a seconda delle scelte che si compiono nel posizionare il materiale isolante si possono ottenere benefici differenti:

• la struttura isolata dall’esterno durante il periodo invernale è caratterizzata dall’avere tutti gli strati interni rispetto all’isolante a costituire una massa in grado di immagazzinare calore nei periodi di funzionamento dell’impianto di riscaldamento, calore che poi può essere ceduto all’ambiento interno quando l’impianto vene spento. In regime estivo questa configurazione è protetta dalle oscillazioni giornaliere esterne e internamente può sfruttare una buona capacità inerziale per mitigare gli effetti del surplus energetico derivato dagli apporti solari e dagli apporti interni;

• la struttura isolata dall’interno in regime invernale fa sì che tutta l’energia erogata dall’impianto nell’ambiente interno sia immediatamente spesa per riscaldare l’aria interna (la presenza dell’isolante a contato con l’ambiente interno non permette il riscaldamento degli strati massivi). Durante il periodo estivo può beneficiare invece della velocità di reazione dell’ambiente legato al condizionamento dell’aria o al raffrescamento per mezzo di ventilazione.

In altre parole le strutture hanno diversi valori di capacità termica interna o esterna e quindi un diverso comportamento inerziale:

• l’ambiente isolato dall’esterno avrà maggiore inerzia, quindi una messa a regime più lenta al momento dell’accensione dell’impianto ma una maggiore stabilità della T interna anche al momento dello spegnimento. Questa configurazione può quindi essere vantaggiosa ad esempio per gli alloggi ad occupazione continua.

• L’ambiente isolato dall’interno sarà maggiormente “reattivo” alle manovre sull’impianto: l’aria si riscalderà/raffredderà velocemente all’accensione ma non ci saranno “volani” a mantenere la temperatura stabile allo spegnimento. Quindi questo schema potrebbe essere più adatto in edifici ad occupazione discontinua.

Per il calcolo della capacità termica interna o esterna di una struttura opaca si rimanda alla norma UNI EN 13786; è importante ricordare che il calcolo è sempre matriciale e caratterizzato dai parametri che influenzano il comportamento estivo: conduttività termica, calore specifico, densità, spessore e posizione.

  

  

...l'intervista continua nel PDF.