La fisica della condensa e l'origine delle muffe

Le patologie degli edifici originate da livelli errati di umidità sono spesso responsabili di degradazioni dei componenti per l’edilizia e possono influenzare la salute e il comfort degli utenti. Le soluzioni per il trattamento di tali patologie sono spesso complesse e molte volte di implementazione difficile.

Il problema è particolarmente accentuato nel caso di edifici esistenti, per i quali molte di queste patologie sono dovute a tecniche innovative e moderne combinate a materiali preesistenti, che spesso possono possedere prestazioni poco prevedibili. I meccanismi di generazione e trasporto di condensa e umidità all’interno degli edifici sono le tematiche che si intendono approfondire nel presente documento. 

Il corretto approccio del progettista di fronte a problematiche di umidità

La comprensione del movimento dell’umidità negli edifici, negli ultimi anni, è stata oggetto di grande interesse: non sono stati indagati solo i meccanismi di movimento dell’umidità ma anche le cause del suo insorgere in fase di esercizio e/o di applicazione di nuovi materiali nei casi specifici di retrofit di edifici esistenti.

In questo secondo caso, infatti, le condizioni termo-igrometriche dell’edificio cambiano a seguito dell’intervento. Allo stesso tempo vi è un crescente riconoscimento del ruolo chiave dell’umidità nella salute degli occupanti e nella “salute” del tessuto edilizio.

L’approccio corretto con il quale il progettista deve pianificare gli interventi su un edificio esistente deve tener conto dei seguenti principi: 

• Il rischio di umidità negli edifici si riferisce non solo al tessuto edilizio, ma anche alla salute degli occupanti (dove con “rischio di umidità” si intende la formazione di un quantitativo di umidità superiore o inferiore ai livelli consigliati).
• Considerare tutti gli stati dell’acqua: sia come gas che come solido e liquido.
• In quanto i problemi di umidità si verificano in maggior modo in giunzioni, angoli e nei luoghi del cambio di materiale, qualsiasi approccio al rischio di umidità che non tenga conto di questo, risulterebbe inadeguato.
• I rischi legati all’umidità possono derivare non solo dalle condizioni del tessuto edilizio, ma anche dalla produzione di umidità pianificata e non (legata a riscaldamento e alla ventilazione di un edificio), oppure da perdite impreviste dalle tubature.

Spesso finora il problema dell’umidità negli edifici è stato considerato secondario a quello della prestazione termica ed energetica; tuttavia il rischio di umidità è ormai diventato una preoccupazione primaria per le autorità di regolamentazione, a causa della notevole potenzialità di danno.

È certo che si tratta di un argomento molto complesso, sul quale persistono molte incognite sia in termini teorici, che nella possibilità di valutarne numericamente i dati. Quando si deve intervenire su edifici esistenti, le sfide sono maggiori, a causa della necessità di una corretta valutazione del tessuto edilizio su cui ci si deve inserire e a causa delle incertezze circa le proprietà dei materiali e i metodi di costruzione.

Il movimento dell’umidità negli edifici è un fenomeno molto complesso, che si verifica sia nel tessuto edilizio quanto nell’aria, all’interno e all’esterno dell’involucro edilizio. Dipende inoltre dal movimento dell’aria e dal calore, sia internamente che esternamente, e dalle caratteristiche fisiche dei materiali e dalle modalità di posa in opera. Molte proprietà del materiale, in particolare quelle relative al trasporto dell’umidità, sono difficili da misurare e sono note solo per un numero limitato di materiali. 

I meccanismi dell’umidità

L’acqua non deve essere a una temperatura di ebollizione per esserci presenza di gas, a tutte le temperature vi possono essere molecole di vapore acqueo nell’aria, sia pure in quantità diverse e con diversi gradi di attività, a seconda delle condizioni ambientali. Tuttavia, quanto più caldo sarà l’ambiente maggiori saranno le molecole di vapore acqueo che possono essere contenute nell’aria, senza che sia raggiunto il punto di saturazione (condizioni in cui la quantità di vapore è così alta che le molecole di vapore acqueo iniziano a trasformarsi in acqua liquida).

Il rischio di umidità in un edificio è determinato da una serie di fattori tra i quali: il tipo di materiali da costruzione (il fenomeno della condensa è infatti più evidente su materiali non porosi, quali vetri, ceramiche e superfici plastiche e metalliche), il tipo di costruzione, la qualità di costruzione, l’uso dell’edificio, la sua forma e posizione.

I meccanismi attuali con cui l’acqua in diversi stati si sposta, possono essere dovuti ai seguenti fattori: la diffusione del vapore come gas; il flusso di liquidi e gas attraverso i pori (la cui dimensione consente/limita il trasporto dei diversi stati di umidità, liquido o gassoso), la risalita capillare dell’acqua come liquido, il movimento dell’aria e l’assorbimento igroscopico della acqua come gas e liquido (hygroscopic buffering, caratteristica dei materiali autoregolatori dell’umidità).

I rischi dell’umidità

Il rischio maggiore legato all’umidità è legato a un eccesso di umidità: 

• Alta umidità all’interno dell’edificio può promuovere la crescita di muffe, e acari sulle superfici dell’edificio, causando disagio per gli occupanti (asma e problemi respiratori, sensazione di sporco);
• La condensa interstiziale in alcune condizioni climatiche potrebbe portare a cicli di gelo e disgelo che causerebbero danni strutturali alla muratura;
• Un alto contenuto di umidità nei materiali può favorirne la marcescenza;
• La condensa superficiale può inoltre generare goccioline d’acqua che causano danni alla colorazione.

Allo stesso tempo, però, un livello molto basso di umidità può essere causa di insalubrità per gli occupanti dell’edificio e, in casi limitati, può creare problemi alla struttura stessa (rottura o instabilità). 

Figura 1 – Effetti e patologie riscontrabili per diversi livelli di umidità relativa dell’ambiente interno degli edifici, con individuazione della zona sana. Le barre decrescenti indicano il diminuire del problema. (Fonte: ASHRAE transaction V90 Parte 2 – 1984).

La sfida sulla valutazione dei rischi dovuti all’umidità non è quella di mantenere l’umidità fuori dall’edifico, quanto quella di raggiungere un equilibrio adatto all’edificio e ai suoi occupanti. Bisogna inoltre ricordare che la maggior parte degli edifici, oltre al normale livello di umidità, sono soggetti a eventi occasionali come inondazioni, perdite delle tubature o guasti ai sistemi di ventilazione, per i quali è fondamentale capire se siano in grado di provocare un effetto dannoso sul tessuto edilizio e sulla salute dei suoi occupanti.  

ATTENZIONE

Livelli di umidità relativa inferiore al 35% possono causare agli utenti una serie di problemi bronchiali e shock da elettricità statica.

Con livelli di umidità relativa superiori al 60% acari, batteri, virus e muffe sono in grado di prosperare e diffondersi, e sugli utenti si possono osservare allergie, riniti e asma. 

→ Livelli di umidità relativa al disotto del 35% o oltre il 60% (limiti della cosiddetta zona sana) possono essere considerati insalubri se mantenuti per lunghi periodi.

Le fonti di umidità in ambiente

La valutazione igrotermica di un componente non sarà accurata senza una completa e precisa descrizione di fenomeni atmosferici, delle condizioni al contorno igrometriche dovute alle eccitazioni atmosferiche e delle forze interne al componente, causate dall’umidità e dal trasferimento di calore.

Spesso questi fattori sono di difficile quantificazione, ma un inserimento superficiale o un’omissione di alcuni di essi potrebbe compromettere la validità dell’analisi.

Figura 2 – Fonti di umidità in ambiente.

Nello schema precedente si è cercato di riassumere tutte le possibili cause che generalmente dovrebbero essere prese in considerazione. In alcuni casi specifici, potrebbe però verificarsi che alcune di queste siano trascurabili o che ve ne siano altre “ad hoc”.

Metodologie di modellazione di contenuto e trasporto dell’umidità

Il tema dell’umidità può essere affrontato attraverso differenti metodologie che differiscono in uso e limitazioni.

Il metodo attualmente più diffuso è conosciuto come “Metodo di Glaser”, sviluppato nel 1950, è specificato nella UNI EN ISO 13788:2013 “Prestazione igrotermica dei componenti e degli elementi per edilizia - Temperatura superficiale interna per evitare l’umidità superficiale critica e la condensazione interstiziale - Metodi di calcolo”.

Tuttavia, Glaser ignora diversi fattori importanti, compreso il trasporto dell’umidità allo stato liquido, la variazione giornaliera della temperatura, l’impatto della pioggia battente, il contributo dell’acqua contenuta nel terreno, l’umidità di costruzione, il trasporto di vapore nelle intercapedini e nelle cavità, il guadagno solare sulla superficie esterna, lo scambio di calore latente, e l’ampia variazione delle proprietà dei materiali in base al contenuto di umidità.

Di conseguenza il metodo non risulta applicabile per particolari strutture nelle quali questi effetti non siano trascurabili.

Nel corso degli anni sono stati elaborati metodi più complessi e software di calcolo per valutazioni termoigrometriche più approfondite in regime dinamico (normate dalla UNI EN 15026:2008 “Prestazione termoigrometrica dei componenti e degli elementi di edificio - Valutazione del trasferimento di umidità mediante una simulazione numerica”). Per questo tipo di analisi è però richiesto un grande numero di proprietà dei materiali, che spesso possono variare in funzione della temperatura e del contenuto di umidità: densità, porosità, calore specifico, conducibilità termica, coefficiente di diffusione al vapore, ed fino ad arrivare all’umidità di stoccaggio.

Nel presente articolo ci si concentrerà su una trattazione di tipo stazionario della verifica termo-igrometrica in edilizia (UNI EN ISO 13788:2013).

La diffusione del vapore all’interno di una parete: la Legge di Fick

La quantità di vapore acqueo (in termini di portata in massa, G [kg/s]) che si diffonde all’interno di un materiale poroso lungo una determinata direzione è direttamente proporzionale alla differenza di pressione parziale del vapore tra le due superfici (1 e 2) del materiale, e l’area della superficie stessa (perpendicolare alla direzione di diffusione del vapore). Per pressione parziale di vapore acqueo (pv [Pa]) si intende la pressione esercitata dalle molecole di vapore contenute in una massa d'aria. La proporzionalità è definita dalla resistenza alla diffusione del vapore acqueo del materiale (Rv [m2sPa/kg]), la quale dipende a sua volta dalla permeabilità al vapore acqueo del materiale (δ [kg/msPa]) e dal suo spessore (s [m]):

Si può quindi ricavare la Legge di Fick per elementi di involucro monostrato:

Nel caso di componenti di involucro multistrato, entra in gioco il concetto di permeanza della componente di involucro (M [kg/m²sPa]):

I coefficienti βi e βi, ovvero i coefficienti di adduzione superficiale del vapore rispettivamente interno ed esterno, si possono assumere pari ad infinito, di conseguenza il calcolo della permeanza si riduce a:

Dove Rv,tot è la resistenza alla diffusione del vapore acqueo dell’intera componente di involucro.

Si definiscono inoltre altre due proprietà termoigrometriche dei materiali:

il coefficiente di resistenza alla diffusione del vapore (µ [-]), dato dal rapporto tra la Rv dello strato di materiale e la resistenza di uno strato di aria di pari spessore (per barriere al vapore si assume pari a 100'000):

lo spessore d’aria equivalente (Sd [m]), ovvero lo spessore di uno strato di aria di resistenza uguale a quella dello strato di materiale considerato di spessore s [m]:

s_d=μ∙s

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