Materiali isolanti: valutazione e certificazione delle prestazioni termiche

Sui principi di isolamento termico dei materiali

Prof.ssa Magrini, potrebbe spiegare quali principi scientifici e tecnici rendono un materiale isolante? Come interagiscono questi principi per minimizzare la trasmissione del calore?

Consideriamo un pannello di materiale omogeneo con facce opposte sottoposte a due temperature differenti ma uniformi su ciascuna superficie (piana e parallela). In queste condizioni, tra le due facce del materiale si trasferisce una quantità di calore per unità di tempo φ (flusso termico) che dipende direttamente dalla differenza di temperatura Δt delle due superfici, dalla conduttività termica λ (parametro termofisico caratteristico del materiale) e dall'estensione della superficie A, e inversamente dallo spessore L del materiale.

φ = λ A Δt / L

La dipendenza diretta significa che, aumentando una di queste grandezze λ A Δt, aumenta il flusso termico φ; la dipendenza inversa implica che, aumentando L, diminuisce φ. In particolare se un materiale è caratterizzato da una bassa conduttività λ, anche il flusso termico sarà proporzionalmente basso, a parità degli altri parametri.

I materiali isolanti si contraddistinguono per il basso valore della conduttività termica λ, parametro termofisico che indica la capacità di un materiale solido di trasferire energia termica quando soggetto a una differenza di temperatura. Più bassa è la conduttività termica più alta è la capacità isolante del materiale.

Per materiali non omogenei o compositi o pannelli realizzati con più materiali, occorre considerare in genere che non è solo la conduzione termica il meccanismo fisico che governa questo trasferimento di energia ma anche la convezione e l’irraggiamento. In questo caso può fare riferimento direttamente alla resistenza termica, e quindi alla resistenza che il pannello/materiale oppone al trasferimento di calore.

La relazione tra resistenza termica R per unità di superficie di un materiale o di un pannello di spessore L e la conduttività termica λ è:

R = L / λ [m²K/W]

In certi casi viene invece considerata una conduttività equivalente, ammesso che la resistenza abbia un comportamento proporzionale con lo spessore.

La conduttività di un materiale viene determinata secondo procedure che sono indicate in norme tecniche nazionali e internazionali.

Il Regolamento (UE) n. 305/2011 del Parlamento Europeo e del Consiglio del 9 marzo 2011 stabilisce condizioni armonizzate per la commercializzazione dei prodotti da costruzione. Un materiale che rientri in una norma armonizzata di prodotto deve obbligatoriamente essere accompagnato dalla marcatura CE e dalla DoP, Dichiarazione di Prestazione (si può verificare l’elenco a questo LINK).

La DoP è un documento redatto dal fabbricante all'atto di immissione sul mercato di un prodotto coperto da norma armonizzata o conforme a una valutazione tecnica europea (ETA) rilasciata per il prodotto stesso.

Ove non è disponibile una norma armonizzata per un prodotto, il produttore può richiedere volontariamente la certificazione ETA. L’ETA (Valutazione Tecnica Europea - European Technical Assessment) è un documento nel quale sono descritte dettagliatamente le performance di un prodotto da costruzione. Per il rilascio della certificazione ETA, il produttore deve chiedere ad un ente riconosciuto (TAB - Technical Assessment Body) appartenente all’EOTA - European Organisation for Technical Approvals. Informazioni più dettagliate si possono trovare sul sito dell’ITC CNR (ente TAB) di San Giuliano Milanese (Milano).

La marcatura CE offre una garanzia sul valore dichiarato in quanto i metodi di valutazione seguono procedure unificate; le prove per determinare la conduttività termica di un materiale vengono effettuate tramite metodi normati e presso laboratori accreditati, con condizioni al contorno (T e UR) e condizioni di preparazione del provino (invecchiamento e stagionatura obbligatoria) ben definite. Inoltre, è fissato un numero di prove ragionevolmente valido a livello statistico.

La conduttività termica (UNI EN ISO 10456) di progetto, λu si riferisce al valore della conduttività termica di un materiale che può essere considerato come tipico delle prestazioni del materiale quando incorporato in un componente per l'edilizia, mentre per conduttività termica dichiarata si intende il valore atteso valutato da dati misurati in condizioni di riferimento di temperatura e umidità, ragionevolmente valido per la vita utile dell'edificio in condizioni normali (dato per un frattile e livello di confidenza definiti nelle specifiche tecniche di prodotto per la marcatura CE).

Per i materiali isolanti, nel caso siano dotati di norma di prodotto, il valore di conduttività termica da usare è sempre la conduttività termica dichiarata λD. Lo stesso vale per i prodotti dotati di un ETA. I valori di λD rappresentano una caratteristica del materiale in condizioni di utilizzo standard.

Se si fa il confronto tra la resistenza termica di un pannello isolante in fibra di vetro di conduttività 0.04 W/mK e di spessore 1 cm e quella di un pannello in calcestruzzo di conduttività 0.58 W/mK dello stesso spessore, si può trovare:

Pannello isolante R = 0.01 m / 0.04 W/mK = 0.25 m²K/W

Pannello in calcestruzzo R = 0.01 m / 0.58 W/mK = 0.0172 m²K/W

Quindi si può osservare che il pannello isolante offre una resistenza termica al passaggio di calore circa 14 volte quella del pannello in calcestruzzo: come previsto che il pannello isolante è molto efficace per limitare il disperdimento termico.

Limiti di isolamento dei materiali moderni

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

Nella ricerca di nuove soluzioni tecnologiche per contenere i disperdimenti termici, occorre tener presente che le caratteristiche di un materiale isolante da tenere in considerazione non dovrebbero riguardare solo la conduttività dichiarata dalla certificazione del prodotto, ma anche la durata delle prestazioni nel tempo, o la resistenza alle aggressioni di agenti esterni (fuoco, acqua, compressione, etc).

La ricerca ha reso disponibili sul mercato materiali cosiddetti innovativi, che sebbene sperimentati da qualche decennio, hanno bisogno di tempo per poter essere certificati e resi idonei all’utilizzo diffuso, come per esempio i pannelli isolanti sottovuoto (VIP, Vacuum insulating Panel), l’aerogel e i materiali multistrato termoriflettenti.

Il VIP è realizzato avvolgendo il materiale principale con un involucro, estraendo l’aria per realizzare il vuoto, e quindi sigillando l'estremità dell'involucro con saldatura a caldo. Il pannello può garantire prestazioni termiche da 5 a 10 volte migliori rispetto ai materiali isolanti convenzionali. La stabilità delle prestazioni nel tempo dipende dal mantenimento del vuoto nell’involucro, che, se non viene danneggiato, può permettere proprietà termiche costanti per oltre 25 anni (LINK per approfondire).

Si possono trovare schede di materiali che sono stati testati da Enti riconosciuti, come per esempio dall’Istituto Giordano (ACCREDIA) per quanto riguarda resistenza termica e conduttività termica determinate attraverso il metodo della piastra calda con anello di guardia (UNI EN 12667).

La norma ISO 16478:2023 riporta prestazioni, metodi di prova e regole per le valutazioni di conformità, l'identificazione e l'etichettatura dei pannelli isolanti sottovuoto (VIP) con anima in silice o fibra di vetro e indica il metodo di prova per determinare i fattori di invecchiamento e l'influenza dei ponti termici lineari sui bordi del pannello.

L'aerogel appartiene alla categoria dei materiali super-isolanti, caratterizzato da una conduttività dell'ordine di 0.016 W/mK. È un gel solido che può essere costituito per il 97% da aria e per il 3% da silice. Ha una bassissima densità e conduttività, ma un costo elevato.

I pannelli termoriflettenti sono costituiti da una serie di materiali accoppiati che tendono a minimizzare lo scambio termico per irraggiamento, e anche quello per conduzione; sono formati da superfici riflettenti ad esempio fogli di alluminio ovvero da superfici basso emissive. Possono essere intercalati da strati realizzati con bolle d'aria. Nella posa in opera è necessario evitare il contatto tra il pannello e la parete da isolare per poter sfruttare al meglio la capacità riflettente del materiale ed evitare la trasmissione del calore per contatto (conduzione).

I valori di resistenza termica vengono valutati in accordo con la norma UNI EN 16012 che descrive i metodi di prova per determinare la resistenza termica di un materiale termoriflettente posto all'interno di un'intercapedine. In questo caso si fa riferimento ad una resistenza termica piuttosto che a una conduttività in quanto il materiale è composito e intervengono in modo significativo i diversi meccanismi di scambio termico e non sono la conduzione del calore.

Affidabilità dei risultati e delle certificazioni

Quali sono le vulnerabilità dei metodi di misurazione dell’isolamento termico che potrebbero portare a risultati distorti o certificazioni non affidabili? Come può un produttore o un consumatore verificare l’autenticità di una certificazione?

Un recentissimo rapporto tecnico UNI/TR 11936 dell'Ente nazionale di certificazione UNI, che elabora le norme tecniche necessarie per garantire la standardizzazione di prodotti e processi, intende chiarire alcuni aspetti relativi alla verifica delle prestazioni termiche di materiali isolanti termici e finiture.

Il documento rappresenta una Linea guida per una lettura critica e consapevole delle informazioni tecniche e dei rapporti di prova sulle prestazioni termiche (conduttività/resistenza termica) e per verificare la rispondenza al quadro normativo delle informazioni relative alle prestazioni termiche

La finalità delle informazioni contenute nel rapporto è quella di permettere la valutazione dell'idoneità dei materiali isolanti all'utilizzo previsto, e per eseguire un confronto critico con i valori dichiarati dai produttori, anche sulla base di indicazioni sui valori di conduttività termica tipici dei materiali isolanti termici e delle finiture. Vengono inoltre indicate le procedure di prova idonee a caratterizzare le prestazioni termiche.

Il rapporto tecnico fa riferimento a materiali isolanti quelli con conduttività inferiore a 0,09 W/(mK) e contemporaneamente uno spessore tale da fornire una resistenza termica superiore a 0,5 (m²K)/W.

Il documento riporta inoltre per ogni tipo di prodotto isolante valori indicativi di conduttività termica per i principali materiali isolanti e per le finiture (in particolare malte da muratura e intonaci). Esso riporta inoltre l'elenco di materiali isolanti coperti da norma armonizzata, la norma di riferimento per le prove necessarie alla determinazione della conduttività termica e l'indicazione del metodo di prova. Come già accennato, per un materiale isolante che ricade nel campo di applicazione di una norma armonizzata, il fabbricante deve provvedere alla marcatura CE dello stesso e predisporre la relativa DoP.

Quali sono le bandiere rosse o i segnali di allarme che dovrebbero mettere in guardia sui risultati di certificazione non affidabili di un materiale isolante?

Per isolanti termici e strati di finitura non marcati CE, è previsto l'obbligo di certificazione dei materiali mediante la valutazione della conduttività termica presso laboratori accreditati attraverso metodologie di prova emesse dagli organismi di normazione. Non è sufficiente una sola misurazione ma occorre un numero minimo di tre misure e l'arrotondamento alla terza cifra decimale (UNI EN ISO 10456). Per esempio, se per un materiale è dichiarata una conduttività di 0.0001 W/mK, sarà necessario considerare un valore arrotondato alla terza cifra decimale, ovvero 0.001 W/mK. In pratica questo valore rappresenta il minimo valore riconosciuto per la conduttività termica di un materiale isolante.

Per accertarsi di utilizzare un valore certificato della conduttività del materiale isolante, occorre accertarsi che questo sia corredato di un rapporto di prova che indichi i riferimenti del laboratorio, del metodo di prova, la descrizione del materiale, la data e le condizioni di esecuzione delle prove, l'incertezza di misura. Il rapporto dovrebbe inoltre riportare il marchio ACCREDIA e/o il riferimento all'accreditamento.