The main object of the research project was the evaluation of the energy behavior of construction components through in situ measurement and experimental analysis with dedicated mock-up. At first, the study has focused on issues related to energy consumption over the summertime, indoor comfort’s situations and environment’s salubrity with the aim of analysing new strategies towards building envelope’s upgrade. Therefore, the topic of thermal insulation has been listed into different aspects: the type of insulating materials and their chemical-physical characteristics, the type of building structures that require insulation, the main thermal parameters to be considered within the research and, at last, the translation, in terms of on-site test, of a comparative model between several thermal envelopes applied on a highly inertial structure lacking of thermal isolation: mock up made in Fabriano. The use of high-performance insulating materials to insulate the building walls is the necessary consequence to achieve the higher strict energy standards. The urgent need of reaching higher energetic standards has brought to choosing high-performance isolating materials to insulate buildings. A correct evaluation of pros and cons of this specific construction technique is extremely fundamental in order to achieve a better understanding of opaque structures thermal behaviour’s. Perhaps, the current research reports experimental and analytical data obtained from the study of a high thermal inertia surface insulated with two different external isolating layers, to meet the Italian nZEB requirements on thermal resistance and focusing on set of problems caused by the Mediterranean climate conditions. In fact, the indoor environment overheating and, consequently, the excessive use of cooling systems represents one of the main problems both for the occupants’ health and for energy consumption, especially during the summertime. It follows that, in order to decrease the problem, a global and synergistic approach is necessary to design energy efficient building envelopes. Another topic of the research, in line with the first one covered, has been conducted on studying cool materials to be applied to passive cooling techniques with the application of cool roof technique to the building facades. The aim of the study was to assess the benefits of those materials when applied to vertical envelopes instead of traditional outdoor coatings and evaluate their convenience in terms of costs-benefits-durability. These materials can contribute to exterior’s temperature reduction of the housing agglomeration thanks to a better energy balance of the surfaces, facilitating the mitigation of the urban heat island effect. Furthermore, resolutions to the problems concerning the energy improvement of our building heritage can be represented by the use of correct stratigraphy walls and the right placement of the insulating materials that respond to dynamic boundary conditions, especially in Mediterranean climate. The research project on cool materials involved a preliminary phase of the materials study, the formulation of the experimental paints and, at last, the mock up preparation on which to install the panels to be monitored over the summertime period. In summary, the problem of building energy upgrading in regard to summer insulation is focused on the main following topics: • thermal inertia and its relationship with the thermal insulation of the envelope over summertime period; • the study of materials and their experimentation in real conditions, or rather in a dynamic regime; • the experimental application of cool materials on external vertical walls in order to evaluate their beneficial impact on surface’s temperature.

Oggetto principale del progetto di ricerca è stata la valutazione del comportamento energetico di componenti edilizi attraverso l’analisi sperimentale in situ con la realizzazione di mock up configurati per lo scopo. In prima battuta, lo studio si è concentrato sulle problematiche inerenti ai consumi energetici estivi, il comfort interno e la salubrità degli ambienti prefiggendosi l’obiettivo di analizzare nuove strategie per l’ottimizzazione dell’involucro edilizio. La tematica dell’isolamento termico è stata, quindi, declinata sotto diversi aspetti: tipologia dei materiali isolanti e le loro caratteristiche chimico-fisiche, tipologia delle strutture edilizie che necessitano di isolamento, principali parametri termici da considerare e infine la traduzione, in termini di sperimentazione in sito, di un modello comparativo tra involucri termici su una struttura esistente fortemente inerziale ma priva di isolamento termico: mock up realizzato a Fabriano. La necessità di raggiungere standard energetici sempre più stringenti si è generalmente tradotta con la scelta e l’utilizzo di materiali isolanti con alte prestazioni per coibentare le pareti dei nostri edifici. Una corretta valutazione dei vantaggi e degli svantaggi legati a questa tecnica costruttiva è della massima importanza al fine di comprendere al meglio il comportamento termico delle strutture opache. Pertanto, la ricerca portata avanti, riporta i dati sperimentali e analitici ottenuti dallo studio di una parete ad elevata inerzia termica coibentata con due diversi strati isolanti esterni (metodologia in gergo definita come isolamento “a cappotto”) per soddisfare i requisiti nZEB italiani sulla resistenza termica e focalizzandosi sulle problematiche nell’ambito del clima mediterraneo. Infatti, il surriscaldamento degli ambienti interni e, quindi, l'uso eccessivo dei sistemi di raffrescamento rappresenta uno dei principali problemi sia per la salute degli occupanti che per i consumi energetici, in particolar modo durante il periodo estivo. Ne consegue che, al fine di limitare questo problema, è necessaria una progettazione appropriata e/o un adeguamento energetico dell'involucro edilizio che utilizzi un approccio globale e sinergico. Altro argomento di ricerca, seguito parallelamente al primo, è stato lo studio dei cool materials da applicare in sistemi di raffrescamento passivo degli edifici declinando la tecnica del cool roof alle facciate degli edifici. L’obiettivo dello studio è stato quello di valutare gli effettivi benefici che i cool materials possono avere una volta applicati su pareti verticali, al posto delle tradizionali vernici per esterni, e valutarne la convenienza in termini di costi-benefici-durabilità. Questi materiali possono contribuisce alla riduzione della temperatura superficiale dell’agglomerato abitativo grazie ad un migliore bilancio energetico relativo alle superfici in gioco favorendo la mitigazione dell’effetto di isola di calore urbana. Inoltre, l’utilizzo di pareti con corrette stratigrafie e il giusto posizionamento dell’isolamento con materiali che rispondano a condizioni al contorno dinamiche, soprattutto nei climi Mediterranei come il nostro, possono rappresentare una risposta alle problematiche riguardanti il miglioramento dell’efficienza energetica del nostro patrimonio edilizio. Il progetto di ricerca sui cool materials ha previsto una fase preliminare di studio dei materiali, formulazione delle pitture sperimentali e, infine, la preparazione del mock up sul quale installare i pannelli da monitorare durante il periodo estivo. Riassumendo, la problematica della riqualificazione degli edifici rispetto all’isolamento estivo ha affrontato, principalmente, i seguenti argomenti: • l’inerzia termica e la sua relazione con l’isolamento termico dell’involucro nel periodo estivo; • lo studio dei materiali e la loro sperimentazione in condizioni reali, ovvero in regime dinamico; • l’applicazione sperimentale dei cool materials sulle pareti verticali esterne per valutarne l’efficacia in termini di contenimento delle temperature superficiali.

Analisi sperimentale di componenti edilizi per la riqualificazione energetica degli edifici

TRIBUIANI, CHIARA
2021

Abstract

Oggetto principale del progetto di ricerca è stata la valutazione del comportamento energetico di componenti edilizi attraverso l’analisi sperimentale in situ con la realizzazione di mock up configurati per lo scopo. In prima battuta, lo studio si è concentrato sulle problematiche inerenti ai consumi energetici estivi, il comfort interno e la salubrità degli ambienti prefiggendosi l’obiettivo di analizzare nuove strategie per l’ottimizzazione dell’involucro edilizio. La tematica dell’isolamento termico è stata, quindi, declinata sotto diversi aspetti: tipologia dei materiali isolanti e le loro caratteristiche chimico-fisiche, tipologia delle strutture edilizie che necessitano di isolamento, principali parametri termici da considerare e infine la traduzione, in termini di sperimentazione in sito, di un modello comparativo tra involucri termici su una struttura esistente fortemente inerziale ma priva di isolamento termico: mock up realizzato a Fabriano. La necessità di raggiungere standard energetici sempre più stringenti si è generalmente tradotta con la scelta e l’utilizzo di materiali isolanti con alte prestazioni per coibentare le pareti dei nostri edifici. Una corretta valutazione dei vantaggi e degli svantaggi legati a questa tecnica costruttiva è della massima importanza al fine di comprendere al meglio il comportamento termico delle strutture opache. Pertanto, la ricerca portata avanti, riporta i dati sperimentali e analitici ottenuti dallo studio di una parete ad elevata inerzia termica coibentata con due diversi strati isolanti esterni (metodologia in gergo definita come isolamento “a cappotto”) per soddisfare i requisiti nZEB italiani sulla resistenza termica e focalizzandosi sulle problematiche nell’ambito del clima mediterraneo. Infatti, il surriscaldamento degli ambienti interni e, quindi, l'uso eccessivo dei sistemi di raffrescamento rappresenta uno dei principali problemi sia per la salute degli occupanti che per i consumi energetici, in particolar modo durante il periodo estivo. Ne consegue che, al fine di limitare questo problema, è necessaria una progettazione appropriata e/o un adeguamento energetico dell'involucro edilizio che utilizzi un approccio globale e sinergico. Altro argomento di ricerca, seguito parallelamente al primo, è stato lo studio dei cool materials da applicare in sistemi di raffrescamento passivo degli edifici declinando la tecnica del cool roof alle facciate degli edifici. L’obiettivo dello studio è stato quello di valutare gli effettivi benefici che i cool materials possono avere una volta applicati su pareti verticali, al posto delle tradizionali vernici per esterni, e valutarne la convenienza in termini di costi-benefici-durabilità. Questi materiali possono contribuisce alla riduzione della temperatura superficiale dell’agglomerato abitativo grazie ad un migliore bilancio energetico relativo alle superfici in gioco favorendo la mitigazione dell’effetto di isola di calore urbana. Inoltre, l’utilizzo di pareti con corrette stratigrafie e il giusto posizionamento dell’isolamento con materiali che rispondano a condizioni al contorno dinamiche, soprattutto nei climi Mediterranei come il nostro, possono rappresentare una risposta alle problematiche riguardanti il miglioramento dell’efficienza energetica del nostro patrimonio edilizio. Il progetto di ricerca sui cool materials ha previsto una fase preliminare di studio dei materiali, formulazione delle pitture sperimentali e, infine, la preparazione del mock up sul quale installare i pannelli da monitorare durante il periodo estivo. Riassumendo, la problematica della riqualificazione degli edifici rispetto all’isolamento estivo ha affrontato, principalmente, i seguenti argomenti: • l’inerzia termica e la sua relazione con l’isolamento termico dell’involucro nel periodo estivo; • lo studio dei materiali e la loro sperimentazione in condizioni reali, ovvero in regime dinamico; • l’applicazione sperimentale dei cool materials sulle pareti verticali esterne per valutarne l’efficacia in termini di contenimento delle temperature superficiali.
The main object of the research project was the evaluation of the energy behavior of construction components through in situ measurement and experimental analysis with dedicated mock-up. At first, the study has focused on issues related to energy consumption over the summertime, indoor comfort’s situations and environment’s salubrity with the aim of analysing new strategies towards building envelope’s upgrade. Therefore, the topic of thermal insulation has been listed into different aspects: the type of insulating materials and their chemical-physical characteristics, the type of building structures that require insulation, the main thermal parameters to be considered within the research and, at last, the translation, in terms of on-site test, of a comparative model between several thermal envelopes applied on a highly inertial structure lacking of thermal isolation: mock up made in Fabriano. The use of high-performance insulating materials to insulate the building walls is the necessary consequence to achieve the higher strict energy standards. The urgent need of reaching higher energetic standards has brought to choosing high-performance isolating materials to insulate buildings. A correct evaluation of pros and cons of this specific construction technique is extremely fundamental in order to achieve a better understanding of opaque structures thermal behaviour’s. Perhaps, the current research reports experimental and analytical data obtained from the study of a high thermal inertia surface insulated with two different external isolating layers, to meet the Italian nZEB requirements on thermal resistance and focusing on set of problems caused by the Mediterranean climate conditions. In fact, the indoor environment overheating and, consequently, the excessive use of cooling systems represents one of the main problems both for the occupants’ health and for energy consumption, especially during the summertime. It follows that, in order to decrease the problem, a global and synergistic approach is necessary to design energy efficient building envelopes. Another topic of the research, in line with the first one covered, has been conducted on studying cool materials to be applied to passive cooling techniques with the application of cool roof technique to the building facades. The aim of the study was to assess the benefits of those materials when applied to vertical envelopes instead of traditional outdoor coatings and evaluate their convenience in terms of costs-benefits-durability. These materials can contribute to exterior’s temperature reduction of the housing agglomeration thanks to a better energy balance of the surfaces, facilitating the mitigation of the urban heat island effect. Furthermore, resolutions to the problems concerning the energy improvement of our building heritage can be represented by the use of correct stratigraphy walls and the right placement of the insulating materials that respond to dynamic boundary conditions, especially in Mediterranean climate. The research project on cool materials involved a preliminary phase of the materials study, the formulation of the experimental paints and, at last, the mock up preparation on which to install the panels to be monitored over the summertime period. In summary, the problem of building energy upgrading in regard to summer insulation is focused on the main following topics: • thermal inertia and its relationship with the thermal insulation of the envelope over summertime period; • the study of materials and their experimentation in real conditions, or rather in a dynamic regime; • the experimental application of cool materials on external vertical walls in order to evaluate their beneficial impact on surface’s temperature.
Riqualificazione; Materiali isolanti; Cool materials
Thermal inertia; Insulated external wall; Thermal resistance; External areal heat capacity; Building envelope; Experimental study; Cool materials; Solar Reflectance Index; Solar reflectance; Thermal emittance; Exterior wall products
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11566/291054
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