Prestazioni termiche estive di tetti ventilati a manto discontinuo a confronto con i tetti piani

Numerose ricerche hanno avuto come oggetto la verifica delle prestazioni della circolazione d’aria nell’intercapedine all’interno degli strati che compongono le coperture a falde inclinate, con manto discontinuo, per riuscire a quantificare le reali prestazioni di questo particolare elemento “immateriale”, tanto difficile da controllare e valutare date le molteplici configurazioni possibili e variabili in gioco.
Il tetto ed in particolare il manto di copertura, svolge un ruolo di grande rilievo nel controllo termico indoor, sia per la sua estensione, sia per disposizione ed esposizione rispetto agli altri elementi dell’involucro edilizio, il cui beneficio si esplica attraverso la valorizzazione del fenomeno convettivo per il controllo dell’umidità e del comportamento termoigrometrico dell’intero pacchetto: nel periodo estivo costituisce la principale barriera al flusso termico entrante per irraggiamento. Lo studio effettuato dall’Università di Ferrara aggiunge un interessante contributo alle conoscenze disponibili indagando il comportamento termico in regime estivo di un edificio con copertura a falde con struttura leggera (legno, metallo) e manto impermeabile discontinuo (tegole) al variare della permeabilità all’aria del manto, dello spessore della camera di ventilazione e della sezione aperta in linea di gronda, in confronto con una soluzione con tetto piano con struttura in calcestruzzo assunta a riferimento.

Metodologia
L’indagine è condotta avvalendosi di un modello numerico agli elementi finiti (COMSOL V4.3a) in cui il problema fluidodinamico e quello termico sono stati trattati contemporaneamente, attraverso la concatenazione opportuna dei rispettivi moduli di calcolo (CFD e Heat Transfer), sono poi stati risolti in regime transitorio per la condizione estiva configurata. Il problema fluidodinamico è risolto adottando il metodo k-ε , mentre per quello termocinetico l’approccio è stato esteso non solo all’irraggiamento solare e alla conduzione degli elementi edilizi, ma necessariamente ai fenomeni convettivi legati alle forze di volume e all’effetto del vento esterno, con lo scopo di valutare l’incidenza della convenzione naturale rispetto a quella forzata.
Domini di calcolo. Il dominio di calcolo scelto è del tipo 2D, dimensionato per analizzare l’intero fenomeno fluidodinamico legato alle turbolenze generate dall’edificio in relazione al campo di moto generato dal vento. Per confrontare la soluzione a falde con quella piana sono stati sviluppati due macrodomini di riferimento e quindi, apportando minime variazioni, specifici sottodomini per rappresentare configurazioni differenti per l’altezza della camera di ventilazione, per la permeabilità all’aria fra le tegole e per la sezione di ingresso in linea di gronda. Con riferimento alla tabella 1, il macrodominio del tetto piano di confronto è costituito da una soletta portante latero-cementizio di 30 cm di spessore, uno strato isolante di 4 cm in polistirene, uno strato di completamento e pendenza in calcestruzzo alleggerito di 8 cm, uno strato fittizio simulante la riflettanza di una membrana autoprotetta con scaglie di ardesia di colore analogo ad un manto in laterizio.

Tabella 1 – Caratteristiche dei materiali che compongono le stratigrafie delle coperture analizzate.

Quello del tetto a falde è composto da un manto impermeabile discontinuo ottenuto per parziale sovrapposizione di elementi piani (tegole), un volume funzionale conseguente alla listellatura di supporto dei precedenti elementi piani, una camera di ventilazione di altezza variabile e ottenuta con una seconda orditura
sottostante e perpendicolare a quelle di supporto, uno strato di isolamento in lana di roccia di 8 cm posato sopra a un tavolato di legno di 2 cm. Era presente una membrana termoriflettente al di sotto dei listelli di supporto delle tegole. Ogni dominio è stato esteso anche ad un metro di suolo sottostante il piano di calpestio, al fine di considerare il possibile beneficio del terreno.
In figura 1 sono presentati i dettagli delle “mesh” dei due macrodomini dell’edificio, assieme ai rispettivi “sketch” assonometrici della tipologia costruttiva, l’estensione completa del dominio è di 150 x 25 m. L’approccio bidimensionale non costituisce una semplificazione rilevante del problema, poiché nella camera di ventilazione sottomanto la superficie calda è costituita dall’estradosso della copertura (tegole). Tale condizione sfavorisce lo sviluppo di moti convettivi naturali agenti in direzione ortogonale alla sezione considerata, supportando la semplificazione introdotta. Ulteriormente, la presenza della permeabilità all’aria del manto di copertura rappresenta un elemento forzante nella circolazione in camera, poiché ne modifica sostanzialmente il campo di moto.
Condizioni iniziali e al contorno. Il comportamento dell’involucro edilizio è stato legato alle seguenti condizioni: irraggiamento solare, velocità e temperatura del vento e potenza di climatizzazione interna.
Per considerare lo strato limite a terra è stato assegnato un profilo altimetrico della velocità del vento come elevazione alla potenza 0,3 del rapporto tra quota della copertura e quella del vento di riferimento, moltiplicato per l’intensità di quest’ultimo. Alla velocità del vento di riferimento sono stati attribuiti tre diversi valori: 1,25/2,50/5,00 m/s, assunti alla quota di 10 m.
Poiché la linea di gronda di una copertura a falde di un edificio unifamiliare si trova mediamente a 5 m di quota, l’intensità risultante dal suddetto profilo è approssimativamente pari a 1, 2 e 4 m/s, valore mediamente cautelativo scelto per non favorire questa tipologia di copertura.
La direzione del vento è assunta orizzontale in ingresso al dominio, mentre l’irraggiamento solare è considerato per semplicità nella sola direzione verticale, ovvero in copertura.
Ad un metro di profondità nel terreno è stata attribuita una temperatura fissa pari a 20 °C.
L’andamento della temperatura del vento e dell’irraggiamento solare sono riportati in figura 2.
Infine, nell’ambiente posto al piano terreno, è stata supposta una potenza termica di raffrescamento pari a 150 W/m, ovvero, per ogni metro di profondità del modello 2D ipotizzato. A ciò corrisponde una potenza specifica pari a circa 6 W/ m³ (figura 3). Tale potenza è quella che consente di mantenere una temperatura interna attorno a 26°C nel caso dell’edificio con tetto piano e considera anche i fenomeni di scambio termico che avvengono lungo i muri perimetrali e sulla pavimentazione in termini conduttivi e convettivi.

1. Dettaglio della mesh di calcolo per il tetto piano e per il tetto a falde.

2. Andamento orario della temperatura e dell’irraggiamento.