Indagini attive su un manufatto realizzato con posa a cappotto

Per poter analizzare adeguatamente cosa accade nei vari casi indicati dalle indagini termografiche e per poter capire se sono anomalie o meno dal punto di vista della posa, è necessario soffermarsi su alcuni cenni relativi alla trasmissione del calore in regime variabile sulla superficie del cappotto.

Cenni alla trasmissione del calore in regime variabile
Nella trasmissione del calore in regime variabile (ovvero con temperature al contorno che oscillano nel tempo) la resistenza termica, la conduttività e lo spessore di ogni materiale non sono sufficienti a spiegare il comportamento termico dei vari strati. E’ infatti necessario valutare i materiali conoscendone anche la densità e il calore specifico.
Il parametro che caratterizza i materiali in regime variabile è l’effusività termica b.

Effusività termica
L’ effusività termica b è un indice della risposta energetica di un materiale sollecitato energeticamente: la temperatura superficiale esterna del rivestimento a cappotto soggetto a irraggiamento solare è fortemente influenzata da come il materiale in superficie conduce termicamente e dalla sua possibilità di accumulare calore per scaldarsi: l’effusività, in questo contesto, riassume la facilità di riscaldamento del materiale soggetto a irraggiamento solare: minore il valore, minore la quantità di energia necessaria a scaldare il materiale.

Confrontando i valori di effusività b per i materiali presenti in superficie ad un cappotto dell’esempio riportato si ottiene:

Analizzando le caratteristiche dei materiali si può comprendere il diverso comportamento che essi avranno nei confronti del caricamento energetico dovuto all’irraggiamento e quindi dello scaricamento dovuto all’ombreggiamento.
Il pvc e la colla/rasante hanno valori di effusività b e di capacità termica molto differenti rispetto all’EPS e quindi reagiscono in maniera differente rispetto alla sollecitazione:

a)   in caso di irraggiamento solare la sollecitazione tende a scaldare la superficie e quindi il pvc e la colla/rasante, avendo un valore di effusività decisamente maggiore dell’EPS, saranno inizialmente più freddi rispetto all’EPS poiché a parità di energia assorbita l’EPS si scalderà con maggiore facilità; i tasselli e i giunti di colla/rasante saranno punti più freddi;

b)   in caso di ombreggiamento la sollecitazione è di raffreddamento e quindi il pvc e la colla rasante, avendo una maggiore capacità termica volumetrica (e maggiore di due ordini di grandezza) avranno accumulato maggiore quantità di energia e quindi saranno inizialmente più caldi rispetto all’EPS che si raffredda più rapidamente; i tasselli e i giunti di colla/rasante saranno punti più caldi.

Le valutazioni compiute sono valide solo per i primi strati di materiale investiti dall’irraggiamento solare ma non sono estendibili all’intera struttura che in tal caso è da studiare in accordo con la norma UNI EN 13786 e  i  parametri  di  sfasamento  temporale,  attenuazione  e  trasmittanza  termica  periodica  Yie;  per  tali valutazioni il parametro di riferimento è la diffusività termica a.
La diffusività termica a è infatti il parametro per valutare l’attitudine di un materiale a lasciarsi penetrare dall’energia termica e può rappresentare la “velocità di penetrazione del calore” del materiale in termini di calore (se la struttura è oggetto di irraggiamento solare).

Maggiore il valore del parametro di diffusività, maggiore la velocità di riscaldamento della struttura. Tra i tre materiali indicati in tabella il PVC ha la minore diffusività termica:a parità di energia radiante, l’ingresso di calore nella struttura sarà maggiormente ostacolato grazie alla capacità termica del tassello unita al valore ridotto di conduttività termica.

Analizzando le caratteristiche dei materiali posti in superficie ad un cappotto, evidenziati in tabella, si può comprendere il diverso comportamento che essi avranno nei confronti del caricamento energetico dovuto all’irraggiamento e dello scaricamento dovuto all’ombreggiamento. Esempio di analisi di caricamento.
Condizioni: esposizione est, Milano, marzo, assenza di vento, parete in condizioni iniziali a temperatura ambientale di circa 18 °C, coefficiente di assorbimento solare stimato α = 0.6.
Termocamera impiegata: FLIR T640, obiettivo FOL 13 (FOV 45° x 30°).
A fronte della grande quantità di energia che investe la superficie per effetto dell’irraggiamento solare la parte con isolante si scalda più rapidamente poiché le zone con colla rasante hanno una maggiore capacità termica. Per i tasselli il comportamento è analogo poiché pur essendo maggiormente conduttivi, hanno anch’essi una maggiore capacità termica. Il comportamento delle temperature superficiali è quindi condizionato dall’effusività b.
Il seguente grafico mostra le differenze di temperatura che si verificano sulla parte superiore del manufatto dove sono presenti e conosciuti gli errori di posa indicati.

La struttura è stata indagata per più di 2 ore dall’inizio dell’irraggiamento e sono stati analizzati i dati di temperatura superficiale per periodi di irraggiamento rappresentativi con una griglia di analisi come da tabella seguente:

Scaricamento
Condizioni: esposizione in ombra, Milano, marzo, assenza di vento, parete in condizioni iniziali a temperatura superficiale pari a circa 40 °C, coefficiente di emissione stimato ε = 0.95 (con lunghezze d’onda della radiazione λ comprese tra 8-14 μm), coefficiente di assorbimento solare stimato α = 0.6, temperatura dell’aria di circa 18°C.

Termocamera impiegata: FLIR T640, obiettivo FOL 13 (FOV 45° x 30°)
Il comportamento dei componenti a seguito dell’irraggiamento in fase di scaricamento può essere così semplificato: gli strati superficiali sono differenziati tra materiale isolante con bassa conducibilità termica e ridotta capacità termica e colla rasante o tasselli in PVC con elevata conducibilità termica e maggiore capacità  termica.  A  fronte  dell’energia  accumulata  per  effetto  dell’irraggiamento  solare  la  parte  con isolante si raffredda più velocemente poiché è minore l’energia accumulata ovvero è minore la capacità termica volumetrica. Il seguente grafico mostra le differenze di temperatura che si verificano sulla parte superiore del manufatto dove sono presenti e conosciuti gli errori di posa indicati.

Si noti come l’immagine di scaricamento sia lo specchio dell’immagine di caricamento. Dove il materiale impiega maggiore tempo per scaldarsi, rimanendo più freddo (caricamento), lo stesso materiale impiega maggiore tempo per raffreddarsi e quindi rimane più caldo (scaricamento).