La misura della conduttività termica
nelle pareti in mattone crudo

La determinazione della conduttività termica delle pareti degli edifici civili costituisce un problema di grande importanza e di non minore difficoltà. Questo lavoro riferisce sulle sperimentazioni condotte su una parete della "casa degli anziani", a Sestu, al fine della misura di tale parametro.

Numerose sono le richieste di operatori del settore edilizio riguardanti la messa a punto di apparecchiature, metodologie e procedure idonee alla misura della conduttività termica di materiali da costruzione civile. L'argomento risulta di interesse non solo applicativo ma anche - a parere di chi scrive - suscettibile di approfondimento e ricerca. La domanda, infatti, non riguarda la conoscenza delle proprietà del materiale, per le quali si può dare risposta applicando la normativa specifica: ad esempio le norme UNI 7745 (1977) e 7891 (1978). Ma, più propriamente, il prodotto nella sua dimensione operativa.

Tale è il caso del mattone crudo o ladiri. In questo, ed in altri casi simili, il problema deve essere inquadrato in un'ottica più ampia, includendo anche gli interessi a fini progettuali, nell'ambito del contenimento dei consumi di energia, e di verifica in fase di collaudo finale dell'isolamento.

L'AUTORE.
L'ingegnere Rinaldo Vallascas
è professore di prima fascia nel raggruppamento disciplinare Misure Meccaniche presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Cagliari
tel. 070.6755.721
e-mail: rvallascas@hotmail.com

Questa ricerca è stata presentata al convegno Terra cruda 2000
(Quartu Sant'Elena, CA,
14-16 dicembre 2000)

Ha collaborato l'architetto Daniela Aru.

La potenza termica, Φ, trasmessa attraverso una superficie trasversale di area A, in un mezzo conduttivo, è valutabile tramite il modello matematico di Fourier:

essendo λ la conduttività termica del mezzo e il gradiente termico lungo il percorso.

La relazione presuppone che il flusso di calore sia monodimensionale e stazionario. Nell'ipotesi di mezzo omogeneo, si può procedere all'integrazione fra due punti a distanza assiale, L, per ottenere la

indicando con T_pi e T_pe , rispettivamente, le temperature lato interno e lato esterno della parete.

Esplicitando, si ottiene la

con Φ_s flusso termico specifico pari a Φ_s =.

Esprimendo Φ_s in , L in [m] e le temperature in [K], λ è misurata in .

Le sperimentazioni sono state condotte su una parete di tamponatura della "casa degli anziani", in Comune di Sestu. La parete, a forma trapezia (larghezza 4 metri, altezza massima 4,20 metri, altezza minima 2,75 metri), con esposizione N-O, è stata realizzata in mattone crudo secondo lo schema presentato nella figura 1.

È stata individuata una sezione ottimale, lontana da ponti termici e superfici finestrate, che è stata opportunamente strumentata. In particolare sono state inserite sei coppie termoelettriche, k, di cui due in guaina d'acciaio, da 1 mm, con isolamento in ossido di magnesio, per la misurazione delle temperature interne del mattone. Le altre quattro, in isolamento con PTFE, sono state disposte per la misurazione delle temperature di parete e dell'aria interna ed esterna.

I giunti freddi delle coppie sono stati inseriti nel pozzetto di un ice-point a soffietto che realizza la temperatura di solidificazione dell'acqua.

Per la determinazione del flusso termico specifico sono stati posizionati due termoflussimetri modello HFP01 ⁽¹⁾, di costruzione Hukseflux, con sensibilità compresa fra 60 e 70 [μV/Wm^-2], dotati di certificato di taratura individuale. Particolare cura è stata posta nell'assicurare il contatto fra la superficie di parete, scabra, e quella liscia dei sensori.

Tutte le sonde sono state schermate all'irraggiamento, mediante schermi costituiti da due contenitori per alimenti, in foglio di alluminio.

I segnali di tensione sono stati rivelati mediante un voltmetro data-logger a 5½ digit, HP3021 interfacciato, mediante scheda GPIB, ad un PC portatile Acer Travelmate 510T. Nelle foto a destra è mostrato il set-up operativo con due dettagli delle superfici - interna ed esterna - che esemplificano la particolare disposizione dei sensori adottata per limitare gli effetti di inserzione.

Per facilitare l'ottenimento del regime stazionario richiesto si è preferito mantenere costante la temperatura dell'ambiente interno, lasciando evolvere naturalmente quella esterna. Allo scopo è stato fatto uso di un termoventilatore regolato da un controllore ad azione PID.

Per poter disporre di numerosi valori per l'elaborazione è stato realizzato un semplice programma di registrazione, nel linguaggio di programmazione grafica Labview 5.1, in ambiente Windows 98. Tutti i segnali sono stati scansionati e automaticamente registrati, con passo di un minuto primo.

In sede di elaborazione si individuano le situazioni in cui non solo le temperature di parete presentano condizioni di staticità ma anche nelle quali si verifica l'identità fra i flussi termici indicati dai termoflussimetri, indice di assenza di accumulo o rilascio di calore da parte della parete.

I risultati derivano dall'elaborazione di diagrammi del tipo riportato nelle figure 3 e 4, quando i salti termici sono sufficientemente alti, dell'ordine di almeno 10 °C.

Il primo abaco costituisce un esempio dell'evoluzione temporale delle temperature. Si notino gli andamenti alquanto regolari delle temperature, con eccezione di quelle esterne di parete (tratto nero) e dell'aria (tratto blu). Il secondo si riferisce ai flussi termici attraverso le pareti interna (tratto nero) ed esterna (tratto blu).

È necessario individuare gli intervalli di tempo in cui i segnali possono essere ritenuti statici ed i flussi termici identici, come si può riscontrare nel periodo compreso fra la decima e la tredicesima ora di registrazione.

I valori campionati sono elaborati secondo procedure statistiche per ottenere un intervallo fiduciario centrato sulla media campionaria.

Differenziando la relazione che esprime la conduttività, λ, in funzione del flusso termico specifico, Φ_s, del cammino termico L e del salto termico ΔT si ottiene, in termini relativi, la

che esprime l'incertezza limite su λ in funzione delle corrispondenti incertezze nella misura di Φ_s, L e ΔT. È comune valutare i primi due termini con incertezza percentuale inferiore all'1%.

Per quanto riguarda il salto termico, le coppie termoelettriche commerciali, a seguito di calibrazione nel campo di prova, consentono incertezze dell'ordine di 0,1 - 0,2 °C che richiedono intervalli di misura di almeno 10 °C per non modificare sensibilmente l'ordine di grandezza dell'incertezza complessiva sulla conduttività, che risulta quindi essere di 2-3%.

Conclusioni. È stato messo a punto un set-up operativo idoneo alla misurazione della conduttività termica equivalente di pareti di edifici civili.

L'apparecchiatura, grazie all'uso contemporaneo di due termoflussimetri, consente di ridurre le incertezze di tipo operativo, e, nei limiti di applicabilità del modello termico alla natura del materiale, permette di ottenere incertezze limite dell'ordine di qualche unità percentuale.

Per quanto concerne il mattone crudo, sono state effettuate numerose registrazioni, in vari periodi, nell'arco di due anni, che hanno portato a definirne la conduttività termica in opera, alle temperature medie di 12 °C e 17 °C, che è risultata pari a 0,55 e 0,58 rispettivamente, con un'incertezza limite inferiore al 4%.

Rinaldo Vallascas